VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN
VYUŽITÍ LED TECHNOLOGIE PRO VEŘEJNÉ OSVĚTLENÍ UTILIZATION OF LIGHT EMITTING DIODE FOR PUBLIC LIGHTING
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE
TOMÁŠ ROZSYPÁLEK
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2011
Ing. DAVID PALOUŠEK, Ph.D.
Abstrakt, klíþová slova, bibliografická citace
ABSTRAKT Cílem této bakaláĜské práce je návrh a konstrukce prototypu svítidla pro veĜejné osvČtlení využívající LED technologii. První þást práce se vČnuje historii vývoje veĜejného osvČtlení. Druhá þást je vČnována designovým návrhĤm, výbČru vhodné varianty Ĝešení, výbČru nakupovaných materiálĤ a souþástí, konstrukþnímu zpracování vybraného Ĝešení, sestavení a montáži svítidla a ukázkám výsledného prototypu. Výstupem této práce je vyrobený prototyp svítidla veĜejného osvČtlení. Klíþová slova: VeĜejné osvČtlení, LED technologie
ABSTRACT The aim of this bachelor thesis is to design and construct a prototype of public lighting using the LED technology. The first part of the thesis describes the history of public lighting. The second part of bachelor thesis deals with design concepts, selection of appropriate design, selection of purchased materials and parts, construction drawing of the chosen design, assembly and installation of light fitting and demonstration of the final prototype. The output of this work is a created prototype of light fitting for public lighting. Key words: Public lighting, light emitting diode technology
Bibliografická citace: ROZSYPÁLEK, T. Využití led technologie pro veĜejné osvČtlení. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 32 s. Vedoucí bakaláĜské práce Ing. David Paloušek , Ph.D
ýestné prohlášení
ýESTNÉ PROLÁŠENÍ Prohlašuji, že bakaláĜskou práci na téma Využití led technologie pro veĜejné osvČtlení jsem vypracoval samostatnČ pod vedením Ing. Davida Palouška, Ph.D a za použití pramenĤ, které jsem uvedl v seznamu použitých zdrojĤ.
V BrnČ dne 20.kvČtna 2011
……………………... Tomáš Rozsypálek
PodČkování
PODċKOVÁNÍ Tímto bych rád podČkoval Ing. Davidu Palouškovi, Ph.D. za cenné rady a pĜipomínky pĜi vypracovávání bakaláĜské práce. Dále bych chtČl podČkovat Nikole Hrabinové a Petru Kratochvílovi za spolupráci na designových návrzích a panu Petru Kvaiserovi za cenné rady ohlednČ pĜipojení svítidel veĜejného osvČtlení do sítČ.
Obsah
OBSAH 1 ÚVOD ................................................................................................................................. 13 2 PěEHLED SOUýASNÉHO STAVU POZNÁNÍ ........................................................... 14 2.1 Výkon a využití ............................................................................................................ 14
2.2 Výhody a nevýhody .......................................................................................... 14 2.2.1 Dlouhá životnost ........................................................................................ 14 2.2.2 Nízká spotĜeba energie .............................................................................. 14 2.2.3 Nízká provozní teplota .............................................................................. 14 2.2.4 Rychlý start ................................................................................................ 14 2.2.5 Možnost regulace....................................................................................... 14 2.2.6 Miniaturní rozmČry .................................................................................... 14 2.2.7 Bezpeþný provoz ....................................................................................... 15 2.2.8 Ekologie ..................................................................................................... 15 2.2.9 Miniaturní rozmČry .................................................................................... 15 2.2.10 Vysoká cena............................................................................................. 15 2.3 Porovnání úspor ................................................................................................ 15 3 FORMULACE ěEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO TECHNICKÁ A VÝVOJOVÁ ANALÝZA ......................................................................................... 16 3.1 Formulace Ĝešeného problému.......................................................................... 16 3.2 Formulace Ĝešeného problému.......................................................................... 16 3.2.1 Žárovky...................................................................................................... 16 3.2.2 ZáĜivky ...................................................................................................... 16 3.2.3 RtuĢové výbojky (vysokotlaké) ................................................................. 16 3.2.4 Sodíkové výbojky ...................................................................................... 16 3.2.5 Halogenové výbojky .................................................................................. 17 3.2.5 LED ........................................................................................................... 17 3.3 Design veĜejného osvČtlení............................................................................... 17 3.3.1 Vývoj designu veĜejného osvČtlení............................................................ 17 4 Vymezení cílĤ práce .............................................................................................. 21 4.1 Návrh a vytvoĜení funkþního prototypu ........................................................... 21 4.2 Zvládnutí þasové tísnČ ...................................................................................... 21 5 Návrh metodického pĜístupu k ěešení ................................................................ 22 5.1 Etapa I. – designový návrh ............................................................................... 22 5.2 Etapa II. – modelování ..................................................................................... 22 5.3 Etapa III. – konstrukce jednotlivých souþástí................................................... 22 5.4 Etapa IV. – realizace ......................................................................................... 22 6 Návrh VARIANT ěEŠENÍ A VÝBċR OPTIMÁLNÍ VARIANTY ................. 23 6.1 Designové návrhy ............................................................................................. 23 6.2 VýbČr optimální varianty .................................................................................. 25 7 KONSTRUKýNÍ ěEŠENÍ ................................................................................... 26 7.1 Modelování pomocí parametrického modeláĜe Autodesk Inventor ................. 26 7.2 Modelování pomocí programu Dialux ............................................................. 26 7.3 VýbČr nakupovaných souþástí .......................................................................... 27 7.4 VytvoĜení finálového produktu ........................................................................ 27 7.5 Postup prací pĜi výrobČ a sestavení .................................................................. 28 8 ZÁVċR (KONSTRUKýNÍ, TECHNOLOGICKÝ A EKONOMICKÝ ROZBOR ěEŠENÍ).................................................................................................. 29 8.1 Konstrukþní závČr ............................................................................................. 29 strana
11
Obsah
8.2 Technologický závČr ........................................................................................ 29 8.3 Ekonomický závČr ........................................................................................... 29 8.4 Výroba prototypu ............................................................................................. 30 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJģ ........................................................................ 31 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLģ A VELIýIN ........................ 34 SEZNAM OBRÁZKģ ............................................................................................. 35 SEZNAM TABULEK .............................................................................................. 36 PěÍLOHY ................................................................................................................. 37
strana
12
Úvod
1 ÚVOD
1
Souþasný vývoj LED osvČtlení je zapĜíþinČn potĜebou lidstva po získání efektivního zdroje svČtla, který by byl šetrný k životnímu prostĜedí. To znamená, aby mČl nízké náklady na provoz a údržbu a nízkou energetickou nároþnost. OsvČtlení typu LED vytváĜí alternativu k dnes již nedostupným žárovkám s odporovým vláknem a dále také k úsporným záĜivkám þi sodíkovým výbojkám. OsvČtlování prostor pomocí diod se tedy jeví jako velmi dobrá varianta osvČtlení, pomocí kterého mĤžeme dosáhnout kvalitního a energeticky nenároþného osvČtlení prostor, jako jsou bytové interiéry, spoleþné prostory bytových domĤ nebo napĜíklad veĜejné prostory. Tato konstrukþní práce je zamČĜena na vývoj prototypu lampy pro osvČtlení veĜejného odpoþinkového místa (laviþky v parku). Text se bude zabývat historickým vývojem výkonu LED, výhodami a nevýhodami tohoto zdroje svČtla, poté bude pĜedstaveno srovnání nákladĤ na provoz diodového osvČtlení oproti pĤvodní sodíkové výbojce, dále bude pĜedložena pĜedbČžná pĜedstava Ĝešení zadaného úkolu a nakonec ukázán hotový prototyp LED osvČtlení.
strana
13
PĜehled souþasného stavu poznání
2 PěEHLED SOUýASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Zkratka LED pochází z anglických slov Light Emitting Diode (dioda vytváĜející svČtlo). Tyto diody jsou schopny vyzaĜovat v UV pásmu, IR pásmu anebo vyzaĜovat urþitou monochromatickou barvu. Nejsou však schopny vyzaĜovat bílé svČtlo pĜímo. Pro získání bílého svČtla bývají využívány þipy, které pĜi smíchání barev, jež diody emitují, dávají bílé svČtlo anebo jsou používány LED vybavené luminoforem schopným emitované záĜení pĜevádČt na bílé viditelné svČtlo. Pásmo, ve kterém dioda vyzaĜuje, je pĜímo závislé na chemickém složení P-N pĜechodu diody [1].
2.1 Výkon a využití Již dlouhou dobu jsou LED využívány v rĤzných spotĜebiþích k signalizaci nastalých stavĤ, ale jako osvČtlení se zaþínají využívat až nyní. DĤvodem je, že dĜíve diody sice mČly velmi malý pĜíkon, ale také jejich svČtelný tok byl velmi malý. Dalším aspektem byla rovnČž vysoká cena. Již vyvinuté LED umožĖují použít napĜíklad vysokovýkonnou samostatnou 100W diodu s velkým svČtelným tokem [19], pĜiþemž ale musí být zajištČno dostateþné chlazení pro dlouhodobý chod diody pĜi teplotách diodu nepoškozujících. Dále také mĤžeme využít diod, které mají výkon do 7W [3]. Tyto diody je pak možno skládat do LED páskĤ, které chlazení nepotĜebují.
2.2 Výhody a nevýhody 2.2.1 Dlouhá životnost NejdĤležitČjším aspektem je správné chlazení. Pokud je tento parametr splnČn, tak nízkoemisivní diody mají svítivost až 1 000 000 hodin [1] a vysokovýkonné diody dosahují až 50 tisíc hodin [4]. 2.2.2 Nízká spotĜeba energie Vysoce úþinná pĜemČna elektrické energie na záĜení zaruþuje velmi nízkou spotĜebu a tudíž i nízké náklady na provoz [5]. 2.2.3 Nízká provozní teplota Diody s nízkým výkonem, mají nízkou pracovní teplotu. To znamená, že je eliminována možnost úrazu popálením, což umožĖuje volné použití pro osvČtlení a také možnost použití rĤzných druhĤ materiálĤ pro osazování diod [5]. 2.2.4 Rychlý start Diody umožĖují okamžité rozsvícení na plný výkon, na rozdíl od sodíkových výbojek þi interiérových úsporných záĜivek [5]. 2.2.5 Možnost regulace Regulace je v praxi uplatĖována pĜi ovládání RGB diod. ěízením výkonu diody se dosahuje vzniku požadované barvy. Jednotlivé barvy jsou pak smíchány, þímž vytváĜejí výslednou barvu, která má být použita [1]. 2.2.6 Miniaturní rozmČry Výhodou se stávají malé rozmČry LED, umožĖující využití designu naplno a témČĜ bez hranic. strana
14
PĜehled souþasného stavu poznání
2.2.7 Bezpeþný provoz LED jsou nejþastČji napájeny zdroji o nízkém stejnosmČrném napČtí, nižším než 50V, tudíž nehrozí poranČní elektrickým proudem [6].
2.2.7
2.2.8 Ekologie Materiály používající se pro výrobu LED modulĤ jsou snadno recyklovatelné, takže nezatČžují životní prostĜedí [5].
2.2.8
2.2.9 Napájení LED LED þipy není možno napojit do sítČ pĜímo, proto je k jejich napájení využíváno transformátorĤ. Vysokovýkonné LED musí být napájeny pomocí proudových zdrojĤ se stabilizací napájeného proudu. Jedinou výhodou oproti halogenovým žárovkám je, že proudový zdroj nemusí být nutnČ umístČn pĜímo v osvČtlovacím tČlese, ale staþí jej mít ve vzdálenosti do 50m od osvČtlovacího LED modulu [7].
2.2.9
2.2.10 Vysoká cena LED mají zatím vysokou cenu, jelikož ještČ nedosáhly masového využití a masové produkce. Toto je asi nejvČtší nevýhoda oproti dnes využívaným záĜivkám. Na druhou stranu ale mají velký pĜedpoklad dalšího vývoje a masového použití, jelikož je jejich energetická nároþnost velmi nízká.
2.2.10
2.3 Porovnání úspor
2.3
Zde je pĜiložena tabulka pro srovnání cenové nároþnosti osvČtlení:
PĜedpokládaná doba svícení dennČ Sazba za 1kWh Cena jednoho kusu svČtelného zdroje Životnost v hodinách SpotĜeba elektrické energie za rok Cena zdroje svČtla za rok Cena spotĜebované energie za rok Finanþní nároþnost za jeden rok Úspora pĜi jednom roce používání
100W vláknová žárovka 4h/den 4Kþ/kWh 15Kþ/ks 1 000h 146kWh 22Kþ 584Kþ 606Kþ 0Kþ
10W LED
326Kþ/ks 50 000h 14,6kWh 9Kþ 58Kþ 70Kþ 536Kþ
Tab. 1 Porovnání nákladĤ na provoz osvČtlení [25]
strana
15
Formulace Ĝešeného problému a jeho technická a vývojová analýza
3 FORMULACE ěEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO TECHNICKÁ A VÝVOJOVÁ ANALÝZA 3.1 Formulace Ĝešeného problému
Problém, kterým se tato práce bude zabývat, je Ĝešení osvČtlení veĜejného místa, které je využíváno i za snížených svČtelných podmínek. Pro osvČtlení bude využito LED modulĤ, z dĤvodu jejich úspornosti a vysoké úþinnosti. Na každého z nás totiž postupnČ zaþíná dopadat energetická krize, která zvyšuje cenu elektĜiny. Toto je jedno z možných Ĝešení snížení spotĜeby energie veĜejného osvČtlení. Výhodami tohoto osvČtlení dále budou ekologická šetrnost, snadná recyklovatelnost a díky dostateþnému osvČtlení se nabízí možnost bezpeþného využívání veĜejného odpoþinkového místa. Bude to také další rozšiĜující designový prvek mČstského mobiliáĜe.
3.2 Formulace Ĝešeného problému 3.2.1 Žárovky Žárovky se využívaly pro osvČtlování veĜejných prostor a byly používány výkony 500 až 1500 watĤ [9]. Staly se ale neefektivním využitím elektrické energie, a proto se již ani nevyrábí. Jejich svČtelná úþinnost byla v Ĝádech procent. Elektrická energie se tedy z velké þásti stala pĜímotopem [10]. Vylepšenými nástupci se staly halogenové žárovky, které mČly vyšší svítivost, která byla dosažena pomocí halogenidĤ uvnitĜ žárovky. Tato úprava umožnila vlákno zahĜívat na vyšší teploty. Nevýhodou oproti normálním žárovkám se stalo to, že byly velmi náchylné na výkyvy napČtí a byla vyšší jejich poĜizovací cena. 3.2.2 ZáĜivky ZáĜivky jsou nízkotlaké rtuĢové výbojky, které jsou známy napĜíklad z nádraží þi podchodĤ. Jejich svítivost oproti žárovkám se zvedla pĜibližnČ 5krát [9], což znamenalo úsporu energie a snížení nákladĤ. ZáĜivkové svČtlo je þistČ bílé a využívá se v místech, kde je potĜeba velké množství svČtla, ale nízké náklady. 3.2.3 RtuĢové výbojky (vysokotlaké) RtuĢové výbojky se skládají z vysokotlakého tČlíska, které je naplnČno parami rtuti a kĜemiþitého skla, které je potaženo bílým luminoforem. Ten odstraĖuje UV záĜení výbojky a souþasnČ zvyšuje její svítivost [11]. RtuĢová výbojka vyzaĜuje bílé svČtlo jako záĜivky. Její výhodou oproti sodíkové výbojce je, že nedochází ke ztrátČ svítivosti v prĤbČhu používání. 3.2.4 Sodíkové výbojky Hlavní výhodou sodíkové výbojky je hlavnČ ekologiþnost. Neobsahují totiž luminofory ani rtuĢ [12]. Oproti výše zmínČným technologiím se opČt zvýšila svítivost a snížila spotĜeba. PĜi stejné svítivosti dosáhneme násobnČ nižší spotĜeby oproti obyþejné žárovce.
strana
16
Form mulace Ĝeše eného problému a jeho o technická á a vývojová analýza
3.2.55 Halogenovvé výbojky y Tyto výbojky vyzaĜují v svČtlo, které jee velmi pod dobné denn nímu. HojnČČ se využív vají ny 2 000 až 10 000 watĤ. napĜííklad na fottbalových sttadionech, kkde se použžívají výkon Tyto výbojky mají m ale nevý ýhodu v tom m, že potĜeb bují tyristoro ový zapalovvaþ [13], kteerý d je schhopen fungovat pouze nČkolik let a je velmi drahý.
3.2.5
3.2.55 LED V pooslední dekáádČ se LED D stávají mooderním osv vČtlením díky novým ttechnologiím, kteréé zvýšily jejjich svítivost. Je to takké nejekologiþtČjší varianta osvČtllení [5], kteerá je alee pro krátkýý horizont návratnosti n iinvestice neepoužitelná [8]. Nákladdy na poĜízeení jsou vysoké, alee energetick ká spotĜebaa naopak níízká. Nyní se zaþínají využívat pro p pĜíklad pro denní svícení na osob bních autom mobilech neebo pouliiþní osvČtleení, dále nap také na osvČtlovvání zahrad þi interiérovvých prosto or [14].
3.2.6
3.3 D Design veeĜejného osvČtlení o
3.3
3.3.11 Vývoj dessignu veĜejn ného osvČtllení Pro iilustraci pĜiddávám obráázky dokum mentující výv voj tohoto odvČtví. o
3.3.1
Záklaadem dneššního modeerního osvČČtlení je tak kový design n, který vyyužívá plnéého clonČČní svítícíhoo tČlesa a používá p plooché krycí sklo. s Tím to otiž omezujjeme svČtellné zneþiištČní, kteréé má negativ vní vliv na þþlovČka, zvíĜata i rostliiny [15].
Obr. 2 Prvn ní ocelové svítiidlo [16]
strana a
17
Fo ormulace Ĝe ešeného problému a je eho technic cká a vývojjová analýzza
Obr. 3 Svíttidlo z vlakový ých nádraží [16 6]
Obr. 4 Pouliþþní svítidlo þ.1 1 – 20. století [16]
Obr. 5 Pouliþþní svítidlo þ.2 2 – 20. století [16]
sttrana
18 1
Form mulace Ĝeše eného problému a jeho o technická á a vývojová analýza
Ob br. 6 Pouliþní ssvítidlo þ.3 – 20. 2 století [16]
Ob br. 7 Pouliþní ssvítidlo þ.4 – 20. 2 století [16]
Ob br. 8 Pouliþní ssvítidlo þ.5 – 20. 2 století [16]
strana a
19
Fo ormulace Ĝe ešeného problému a je eho technic cká a vývojjová analýzza
Obr. 9 LED L svítidlo firrmy KFtechniccs – trendy sou uþasnosti [15]
Obrr. 10 LED svítid t souþasn nosti [18] dlo STELA – trendy
sttrana
20 2
Vymezení cílĤ práce
4 VYMEZENÍ CÍLģ PRÁCE 4.1 Návrh a vytvoĜení funkþního prototypu
4
4.1
Práce je zamČĜena na vývoj a konstrukci LED osvČtlení veĜejného místa, která vychází z designových návrhĤ, jež jsou zmiĖovány v 6. kapitole. Designový návrh bude odpovídat souþasným požadavkĤm na výrobky, jako je použití jednoduchých tvarĤ, a možnost využití cenovČ dostupných a kvalitních materiálĤ. DĤraz bude kladen na finanþní únosnost realizace tohoto projektu. Dále se bude Ĝešen výbČr LED páskĤ a pĜíslušného napájení, které zaruþí energetickou nenároþnost, dostateþné osvČtlení, bezpeþnost a reálné podání barev. Celá konstrukce bude realizována na základČ designového návrhu. Provedením sledu tČchto operací bude v této práci zdokumentována tvorba veĜejného osvČtlení s využitím nové technologie vhodné pro praxi.
4.2 Zvládnutí þasové tísnČ
4.2
Pro realizaci bylo dĤležité odevzdání konstrukþních podkladĤ do konce dubna 2011. Do té doby bylo nutno vyĜešit všechny problémy související s vybraným designovým návrhem a jeho konstrukþními úpravami, vþetnČ výbČru LED, které musely splĖovat potĜebné svČtelné parametry.
strana
21
Návrh metodického pĜístupu k Ĝešení
5 NÁVRH METODICKÉHO PěÍSTUPU K ěEŠENÍ 5.1 Etapa I. – designový návrh Budou navrhnuty designové návrhy pro další zpracování. Tyto návrhy budou tvoĜeny s ohledem na vyrobitelnost a finanþní únosnost realizace projektu. SamozĜejmostí bude také jejich funkþnost pro daný úþel. VytvoĜení návrhĤ je nutno stihnout do poloviny února 2011.
5.2 Etapa II. – modelování Za pomoci poþítaþového nástroje Autodesk Inventor bude vytvoĜen model svítidla, který bude vybrán z jednotlivých designových návrhĤ pro jeho zpracování. Tento model bude dále zpracováván pĜes program Dialux, který umožní pĜedbČžný pohled na rozsvícené svítidlo. Tuto etapu je nutno stihnout do poloviny bĜezna 2011.
5.3 Etapa III. – konstrukce jednotlivých souþástí Budou vytvoĜeny potĜebné výkresy jednotlivých souþástí svítidla. Tyto výkresy budou poté dále poskytnuty pro výrobu samotného svítidla. Tato etapa bude dokonþena do konce dubna 2011.
5.4 Etapa IV. – realizace Budou vyrobeny atypické díly nutné pro vytvoĜení konstrukce prototypu modelu svítidla. Dále bude nutno nakoupit pĜíslušné typizované souþásti, LED pásky a napájecí zdroj. Celý prototyp bude poté sestaven a osazen svČtelnou výzbrojí s napájením. Tento model bude sloužit k osvČtlení veĜejného odpoþinkového místa za snížených svČtelných podmínek. Samotnou realizaci je potĜeba dokonþit do konce kvČtna 2011.
strana
22
Návrrh variant a výbČr optimální varia anty
6 NÁ ÁVRH VA ARIANT ěEŠENÍÍ A VÝBċ ċR OPTIM MÁLNÍ VAR RIANTY
6
6.1
6.1 D Designovéé návrhy
Obrr. 11 Návrh þ.1 1
Poznn.: Návrh byyl vytvoĜen ve spoluprááci s Nikolo ou Hrabinov vou
strana a
23
Ná ávrh varian nt a výbČr optimální o va arianty
Obr. 12 Návrh h þ.2
Poozn.: Návrhh byl vytvoĜĜen ve spoluupráci s Petrrem Kratoch hvílem
sttrana
24 2
Návrh variant a výbČr optimální varianty
6.2 VýbČr optimální varianty
6.2
Jako výhodnČjší varianta pro výrobu byl vybrán návrh þíslo 2. Návrh má výhodu v použití kovových materiálĤ pro výrobu celého tČla svítidla, na rozdíl od návrhu þíslo 1, který by musel mít þást svítidla vyrobenou z plastu. Dále výhoda tohoto návrhu spoþívá v tom, že pĜi použití kovu k výrobČ tČla svítidla bude svítidlo odolné proti vandalismu. Návrh þíslo 2 má také nespornou výhodu ve více možnostech využití svítidla mimo jeho primární funkci, kterou je osvČtlení veĜejného odpoþinkového místa. Další možnost využití bude zmínČna pozdČji.
strana
25
Ko onstrukþní Ĝešení
7 KONSTR RUKýNÍ ěEŠENÍÍ 7..1 Modeloování pom mocí paraametrického modelláĜe Autod desk In nventor V parametricckém modelláĜi Autodessk Inventor byl vytvoĜeen pĜedbČžnný návrh svíítidla. Rozmanitost barev mo odelu na obbrázku nížže, byla zv volena pro lepší rozeeznání jeednotlivých souþástí po oþáteþního návrhu. Vššechny rozm mČry byly voleny tako ovým zppĤsobem, abby svítidlo nebylo pĜíliiš vysoké a neoslĖovalo pĜi usednnutí na veĜeejném oddpoþinkovém místČ. RozmČr pplochy, kterrá osvČtluje vymezenný prostor, byl naavrhnut takk, aby pozd dČji bylo m možné její plné využžití. RovnČžž bylo zajiištČno doostateþné místo m pro um místČní pottĜebného po oþtu LED modulĤ. m Náávrhové rozzmČry svvítidla byly 930mm výšška, šíĜka 5000mm a hlo oubka 150m mm.
Obr. 1 3 PĜedbČžný tv var svítidla
7..2 Modeloování pom mocí proggramu Dia alux M Model z programu Auttodesk Inveentor byl dále d použit v program mu Dialux, který um možnil pohhled na svČtelnou scénnu, jež byla plánován na. Modelovvání v prog gramu Dialux bylo pĜínosné pro p opravuu pĤvodnČ navrhnuté výšky svítiidla a pro další oppravy a laddČní jeho celkových rrozmČrĤ. Dáále byl vym modelován prostor, jeež byl ossvČtlen svítiidlem o svíítivosti 160 0lm. Tato svítivost s by yla zvolena podle pĜed dchozí zkkušenosti Ústavu Ú Konsstruování s L LED osvČtllením. DĤvod volby hoodnoty svítivosti byyl ten, že prro osvČtlení veĜejného m místa, kteréé má být vyu užito jak prro odpoþinek, tak i pro možnnost þtení za sníženných svČteelných pod dmínek, neeexistují normy n Ėovala vyu yužití veĜejjného pĜĜedepisující potĜebnou svítivosst, která by umožĖ oddpoþinkového místa k úþelĤm zzmínČným výše. Tentto návrh bbyl pozdČji ještČ obbohacen o držáky d kol, þímž þ se získkala další vy yužitelnost navrhovanéého svítidla.
sttrana
26 2
Kons strukþní Ĝeš šení
Obr. 14 Scéna vym modelovaná v programu Dialu ux
7.3 V VýbČr naakupovaný ých souþáástí
7.3
Bylyy vybrány nakupované n é souþásti jaako LED pásky, p napáj ájení, svorkoovnice, držžák kola a DIN lištaa. LED pássek byl vybbrán v on-liine obchodČČ Green Ligght [20]. Typ T vybraaného páskku byl: LED D pásek voddotČsný 5050 0 studená bílá, b který jee prodáván po minim mální délcee 50mm. Po otĜebná hoddnota svítiv vosti toho pásku p bude dosažena pĜi p monttáži 2,1m jeho j délky. Volba voodotČsného pásku byla z dĤvoduu bezpeþno osti provoozu tohoto osvČtlení. Napájení N poochází ze sttejného obcchodu a byloo doporuþeeno prodeejcem pro vybraný v typ p LED páskku s ohledeem na jejich h výkon [2 1]. Paramettry tohotto zdroje jssou: výkon 60W pĜi jm menovitém proudu 5A A a napČtí 12V. Vstup pní napČtí je 220V. Držák kola byl vybránn v on-line obchodČ o maaniacbike.czz. Zvolený typ t držákku: Držák kol k na zeć PDS-DK-O P O [22], byl vybrán v z dĤ ĤvodĤ jednooduchosti jeeho monttáže. Dále byla vybráána DIN liišta [23] a svorkovniice [24]. N NáslednČ by yly zjištČČny rozmČryy napájení, svorkovnicce a držáku u kola. RozzmČry bylyy poté použity pro úúpravu poþááteþního náv vrhu z progrramu Autod desk Invento or.
7.4 V VytvoĜen ní finálovéého produ uktu
7.4
Svítiidlo bylo upraveno na koneþnné rozmČry y a osazen no dvíĜky pro monttáž a pĜĜípadný serrvis napájeccího zdrojee, držáky s uzemnČním m umožĖuj ující uchyceení ájení, svorkoovnicí pro pĜipojení p svvítidla ke zdroji elektrické energiie, úchyty pro p napáj plasttové matné þelní sklo o a pĜíchyttovým systtémem pro plech, na kterém jsou umísstČny diody. Konstrukþþní návrh svvítidla byl vytvoĜen taak, aby bylaa možná jeeho výrobba, montáž byla co mo ožná nejsnazzší, a hlavnČČ aby jeho používání p byylo bezpeþn né. Jednootlivé jehoo souþásti svítidla byyly pomoccí program mu Autocadd Mechaniccal vytvooĜeny ve výýkresové podobČ pro dookumentaci a pozdČjší výrobu svíttidla.
strana a
27
Ko onstrukþní Ĝešení
Obr. 15 Výýsledný tvar prrototypu svítidlla
7..5 Postup prací pĜii výrobČ a sestaven ní 1)) Jako prvníí bude na bo oþní stČny vvypáleného profilu s díírou i bez dííry pĜivaĜen n drát, ktterý slouží jako opČrný ý prvek pro P PU. 2)) Poté budouu tyto boþníí stČny svaĜĜeny dohrom mady se zad dní stČnou. 3)) Dále budee svaĜeno víþko v na proofil, které se s skládá z víþka, držááku LED plechu p a držáku PU.. Toto víþko o bude potéé pĜivaĜeno na již svaĜeenou þást svvítidla, popssanou výýše. 4)) Dále budee svaĜen sp podní úchytt pro plech h s LED a PU. P Tento úchyt budee pak pĜĜivaĜen na své místo. 5)) Celý svareek pak budee vyhotovenn ještČ ve dru uhém zrcad dlovém provvedení. 6)) DĜíve, než budou stávající ssvaĜence pĜĜivaĜeny k jeklĤm, j je ještČ do jeklu obbsahující ottvor pro dvííĜka nutno ppĜivaĜit DIN N lištu, držááky pro nappájení, nevrtanou paacku, na kteerou budou u nasunuta ddvíĜka a paccku se záviitem, která bude sloužit pro jej ejich pĜišrouubování. 7)) Posledním mi pĜivaĜenými souþástm mi budou drržáky kol. 8)) Na závČr budou b svaĜeena dvíĜka. V Všechny kovvové souþássti sestavy bbyly galvaniicky pozink kovány kvĤlli odolnostii proti koorozivní deegradaci a opatĜeny o náátČrem S2810. Na svaaĜenec pak bylo pĜichy yceno naapájení pom mocí plasto ových rychhloupínaþĤ a pĜišroub bován plechh osazený LED páásky. NásleednČ byl naa svítidlo um místČn napáájecí zdroj, rozvedenaa elektroinsttalace poomocí kabeelĤ RG-RE EPRO 2x0.335 jak je uvedeno u v pĜíloze kom mpletní sesstavy, um místČny dvČČ svorkovnice WAGO O 261-307 a na závČr pĜichycenoo plastové sklo s a pĜĜítlaþný plecch. KvĤli tČČsnosti celéé konstrukcee byly mezeery zasilikon onovány. Sv vítidlo byylo poté zabetonován z no do 2000mm hloub bky, pĜiþem mž na um možnČní výmČny ellektroinstalaace byly pĜívodní elektrické kabely uloženy doo husího krku.
sttrana
28 2
ZávČr (konstrukþní, technologický a ekonomický rozbor Ĝešení)
8 ZÁVċR (KONSTRUKýNÍ, TECHNOLOGICKÝ A EKONOMICKÝ ROZBOR ěEŠENÍ)
8
8.1 Konstrukþní závČr
8.1
PĤvodní designový návrh byl pĜemČnČn na finální produkt tak, aby byla možná jeho výroba a tvar byl co nejvíce zachován. Na pĤvodní designový návrh byly pĜidány ještČ držáky kol, jakožto další funkþní prvek sloužící pro lepší využitelnost svítidla. Celé svítidlo bylo vytvoĜeno z oceli z dĤvodĤ odolnosti proti vandalismu a pozinkováno kvĤli odolnosti proti korozivní degeneraci.
8.2 Technologický závČr
8.2
Technologicky byl designový návrh zpracován tak, že vzniklo nČkolik prvkĤ, které bylo nutno zakružovat, þímž byla z þásti zvýšena nároþnost kusové výroby. Z dĤvodu vyrobitelnosti bylo nutno zadat výrobu šesti kusĤ vypalovaných souþástí externí firmČ. Celé svítidlo je jedním velkým svaĜencem, který má pĜišroubován pouze dvíĜka pro pĜístup k elektroinstalaci, plech, na kterém jsou pomocí 3M pásky pĜichyceny LED moduly a þelní plexisklo spolu s pĜítlaþným plechem, který funguje nejen jako pĜítlak plexiskla, ale po zasilikování i jako tČsnČní proti vlhkosti.
8.3 Ekonomický závČr
8.3
Celé svítidlo bylo v maximální možné míĜe vyrábČno z polotovarĤ, které se pouze Ĝezaly na délku. Dosáhlo se tím úspory financí v rámci poþáteþního zpracování materiálu. VČtší nárĤst ceny prototypu byl pĜi zakružování jednotlivých souþástí. NejvČtší podíl financí byl vložen do práce, která byla nutná pro sestavení celého svítidla. Níže jsou pĜiloženy pĜibližné ceny jednotlivých položek.
Položka
Cena bez DPH [Kþ]
4ks boþních stČn 2ks zakružovaných plechĤ Nakupovaný materiál Práce 2ks držákĤ kol Pozinkování Led pásky + zdroj Elektroinstalace Celková cena bez DPH DPH 20% Celková cena s DPH
505,300,618,4910,1000,400,1025,200,8958,1791.6,10750,-
Tab. 2 Výrobní náklady
strana
29
ZávČr (konstrukþní, technologický a ekonomický rozbor Ĝešení)
8.4 Výroba prototypu Po konzultaci s vedoucím bakaláĜské práce Ing. Davidem Palouškem, Ph.D bylo od výroby tohoto prototypu v rámci této bakaláĜské práce nakonec upuštČno z dĤvodĤ opoždČnČ schváleného rozpoþtu na rok 2011 Fakulty strojní Vysokého uþení technického v BrnČ. Výroba tohoto prototypu byla po domluvČ pĜesunuta do navazujícího magisterského studia.
strana
30
Seznam použitých zdrojĤ
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJģ [SEZNAM ODBORNÉ LITERATURY:] LED for Lighting Applications, Patrick Mottier, 304 pages, Wiley-ISTE (June 9, 2009), ISBN-10:1848211457. ISBN-13: 978-1848211452. Power Supplies for LED Driving, Steve Winder, 248 pages Publisher: Newnes (April 1, 2008), ISBN-10: 0750683414. ISBN-13: 9780750683418. [ONLINE:] [1]
LED – Wikipedie [cit. 25.února 2011] URL
[2]
Výkonová LED 80W – CZ Patriot osvČtlení výroba a obchod [cit. 25.února 2011] URL
[3]
LED svítilny, LED žárovky, nabíjeþky, akumulátory - LEDshop.cz [cit. 25.února 2011] URL
[4]
Led diody a svítilny – pár postĜehĤ [cit. 25.února 2011] URL
[5]
LED Technologie - výhody [cit. 25.února 2011] URL
[6]
Bezpeþnost pĜi práci na elektrickém zaĜízení [cit. 25.února 2011] URL
[7]
LED svítidla - nové trendy ve svČtelných zdrojích [cit. 25.února 2011] URL
[8]
LED svítidla - nové trendy ve svČtelných zdrojích [cit. 25.února 2011] URL
[9]
Web veĜejného osvČtlení - Technika [cit. 26.února 2011] URL
[10]
Žárovka [cit. 26.února 2011] URL strana
31
Seznam použitých zdrojĤ
strana
32
[11]
SvČtlo :: SvČtelné zdroje – vysokotlaké rtuĢové výbojky, smČsové výbojky [cit. 26.února 2011] URL
[12]
SvČtlo :: SvČtelné zdroje – nízkotlaké sodíkové výbojky [cit. 26.února 2011] URL
[13]
High Pressure Sodium [cit. 26.února 2011] URL
[14]
Využití LED svítidel v exteriéru [cit. 26.února 2011] URL
[15]
SvČtlo :: SvČtelné zdroje – nízkotlaké sodíkové výbojky [cit. 26.února 2011] URL
[16]
Web veĜejného osvČtlení - Technika [cit. 26.února 2011] URL
[17]
Svítidla veĜejného osvČtlení – ledpoint.cz [cit. 26.února 2011] URL
[18]
LED Svítidla [cit. 26.února 2011] URL
[19]
SvČt žárovek - Specialista na žárovky [cit. 1.bĜezna 2011] URL
[20]
Green Light [cit. 1.bĜezna 2011] URL
[21]
Green Light [cit. 1.bĜezna 2011] URL
[22]
Maniac Bike [cit. 1.bĜezna 2011] URL
[23]
Elektro Palouþek [cit. 1.bĜezna 2011] URL
Seznam použitých zdrojĤ
[24]
GM Electronics [cit. 1.bĜezna 2011] URL
[25]
Pavel Hnilica – Deramax.cz [cit. 1.bĜezna 2011] URL
strana
33
Seznam použitých zkratek, symbolĤ a veliþin
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLģ A VELIýIN mm .................................................................................................................... milimetr m ............................................................................................................................. metr h ...........................................................................................................................hodina lm ......................................................................................................................... lumen V............................................................................................................................... volt A........................................................................................................................... ampér W ..............................................................................................................................watt ks ............................................................................................................................... kus kWh ........................................................................................................ kilowatthodina Kþ .............................................................................................................. koruna þeská
strana
34
Seznam obrázkĤ
SEZNAM OBRÁZKģ Obr. 1 První ocelové svítidlo [16] .............................................................................. 17 Obr. 2 Svítidlo z vlakových nádraží [16] ................................................................... 18 Obr. 3 Pouliþní svítidlo þ.1 – 90. léta 20. [16] .......................................................... 18 Obr. 4 Pouliþní svítidlo þ.2 – poþátek 21. století [16] .............................................. 18 Obr. 5 Pouliþní svítidlo þ.3 – poþátek 21. století [16] .............................................. 19 Obr. 6 Pouliþní svítidlo þ.4 – poþátek 21. století [16] .............................................. 19 Obr. 7 Pouliþní svítidlo þ.5 – poþátek 21. století [16] .............................................. 19 Obr. 8 LED svítidlo firmy KFtechnics – trendy souþasnosti [15] .............................. 20 Obr. 9 LED svítidlo STELA – trendy souþasnosti [18] ............................................. 20 Obr. 10 Návrh þ.1 ....................................................................................................... 23 Obr. 11 Návrh þ.2 ....................................................................................................... 24 Obr. 12 PĜedbČžný tvar svítidla .................................................................................. 26 Obr. 13 Scéna vymodelovaná v programu Dialux ..................................................... 27 Obr. 14 Výsledný tvar prototypu svítidla ................................................................... 28
strana
35
Seznam tabulek
SEZNAM TABULEK Tab. 1 Porovnání nákladĤ na provoz osvČtlení [25] .................................................. 15 Tab. 2 Výrobní náklady ............................................................................................. 29
strana
36
PĜílohy
PěÍÍLOHY
strana a
37
PĜĜílohy
sttrana
38 3
PĜílohy
strana a
39
PĜĜílohy
sttrana
40 4
