1. Giriş
İnsanlar ateşin keşfiyle beraber aydınlatma ihtiyacını hissetmeye başlamışlardır. Ateşin keşfiyle birlikte gün ışığı dışında yapay ışıkla aydınlatma yapılmaya başlanmıştır. Aydınlatma ihtiyacı, ateşin bulunmasıyla giderilmeye başlamıştı. Daha sonra sırasıyla meşale, yağ lambası, flamanlı lamba, flüoresanlı lambalar ve son olarak LEDlerle aydınlatma yapılmıştır. Günümüzde yapay ışıkla aydınlatmada elektrik enerjisi büyük ölçüde kullanılmaktadır. Elektrik enerjisinin yaklaşık olarak %20-24ü aydınlatma amacıyla kullanılmaktadır. İyi ve kaliteli bir aydınlatma ile aydınlatılması amaçlanan alanlara gereksinim duyulan miktarlarda ışık gönderilmesi beklenir. Böylelikle gerek duyulmayan alanlar aydınlatılmamış olacak; kullanılan alanlar ise yeteri kadar aydınlatılarak enerji kaybına neden olunmayacaktır. Kaliteli bir aydınlatma seviyesinin daha az enerji tüketimi ile sağlanması mümkündür. Bunun sonucunda verimli bir aydınlatma ile hem daha az elektrik enerjisi tüketimi olacak hem de kaliteli aydınlatma sağlanacaktır[1].
LED yarıiletken, diyot temelli, ışık yayan bir elektronik devre elemanıdır. Elektrik enerjisini ışığa çeviren, ana maddesi silikon olan aydınlatma elemanlarıdır. LEDler doğru akımla çalışırlar ve kırmızı, turuncu, sarı, mavi, beyaz, yeşil gibi birçok farklı renkte ışık yayabilir. LEDlerle ilgili ilk çalışmalar 1907 yılında yapıldı. Ancak ilk LEDler 1962 yılında üretildi. Üretilmesinden bu yana çok büyük aşama kaydedilen LEDler, gün geçtikçe daha da geliştirildi. Seri üretime geçildi ve gücü, sağlamlığı, ışık şiddeti, parlaklığı gibi tercih edilmesini sağlayan özellikleri daha da güçlendirildi. LEDlerin tercih edilmesini uzun ömrü, sağlamlığı, enerji tasarrufu sağlaması, farklı renkler elde edilebilmesi, yüksek parlaklık değeri, hafifliği, çevreyi kirletmemesi sağlamaktadır. LEDler, çok geniş kullanım alanlarına sahiptirler. LED sektöründeki çalışmaların devam etmesi ve gelişmelerin sürmesi durumunda çok daha geniş alanlara yayılması öngörülmektedir.
Avrupa Birliği, 2009 yılı itibari ile 100 W ve üzeri akkor lambaların kullanımını yasaklamıştır ve bu değerin 2012 yılında 75 W'a kadar düşürülmesi hedeflenmiştir. Evlerde ve işyerlerinde kompakt flüoresan lamba kullanımını özendirmiş ve artırmıştır. Ülkemizde ise bu tip lambalarda gerekli kullanılma düzeyine ulaşılamamıştır. Klasik ve yeni nesil lambaların yaşlanmaya bağlı olarak parametrelerinde meydana gelen değişimi karşılaştırmalı olarak inceleyebilmek amacıyla çalışmada iki farklı tipte 4 lamba kullanılmıştır; Flüoresan, LED flüoresan, sokak aydınlatması (LED), downlight (LED). Öncelikle, yeni lambaların aydınlık düzeyi, parıltısı ve renk sıcaklığı değerleri ölçülmüş, daha sonra lambalar sırası ile 1,8,24, 100, 150,200 saat yaşlandırılmış ve ölçümler tekrarlanmıştır.
2. Klasik ve Yeni Nesil Aydınlatma Elemanları
Kompakt flüoresan lambalar (CFL, tasarruflu) şekilleri ve kullanım yerleri açısından farklılık gösterseler bile flüoresan lambaların bütün özelliklerini taşıyan, gaz deşarj kaynaklarıdır. Bu lambalar akkor flamanlı lambaların kullanıldıkları yerlerde ve aynı duy yapısı ile kullanılabilecek şekilde tasarlanmıştır. Flüoresan lambaların çalışması için gerekli olan starter ve balast işlevini kompakt flüoresan lambalarda içerilerine yerleştirilmiş elektronik devreler yapar. Bu lambaların ömürleri 6.000 ile 10.000 saat arasında değişmektedir. Şebekeden çektiği enerji akkor flamanlı lambalara göre yaklaşık %80 daha azdır. Bu lambalarda da aynen flüoresan lambalarda olduğu gibi dimmer kullanarak ışık miktarı ayarlanamaz. Çalışmamızda `Philips' marka 18 Watt beyaz renkli ışık veren kompakt flüoresan lamba kullanılmıştır.
LED'ler, elektrik enerjisini doğrudan ışığa çeviren katı hal yarı iletken araçlardır. LED'ler oldukça küçük ve dayanıklılardır [2]. LEDler diğer kaynaklara göre 40.000 saat daha uzun lamba ömrüne sahiptir. Tek renk ışık kaynaklarıdır. Fakat dekoratif aydınlatma yaparken tek renkli kullanılabileceği gibi renkli LED ışıklarını karıştırarak ara renkler de elde edilebilir. Bunun için üç ana renkten (kırmızı, yeşil, mavi) oluşan LED dizinlerinin dimerlemesi gerekir. Hatta bazı üretici firmalar üç ayrı renk yongayı aynı kılıf içerisine yerleştirerek hazır LED'ler ve LED modülleri üretmektedir. Çalışmamızda 15 Watt 50.000 saat ömürlü beyaz renkli ışık veren LED lamba kullanılmıştır.
3. Ölçüm Cihazları ve Yöntemler
Aydınlık düzeyi, lüksmetre veya ışıkölçer olarak adlandırdığımız cihazlarla lüks (lx) birimi cinsinden ölçülür. Günümüzde yaygın olarak lüksmetreler, göstergeli elektriksel yükselteç birimine takılı bir silikon fotodedektör, insan gözü duyarlılığını yaratan yeşil renkli bir optik filtre ve ek olarak ışık toplayıcı beyaz dağıtıcı yüzey paketinden oluşur. Filtre ile birlikte cihaz toplam tayfsal duyarlılığının Uluslararası Aydınlatma Komisyonu tarafından 1931 yılında standartlaştırılan fotopik insan gözü duyarlılık eğrisine yakınlığı, cihazın kalitesini ve ölçüm doğruluğunu belirlemektedir [3]. Aydınlık düzeyi ölçümleri için "Standards ST-8820 environment meter" kullanılmıştır.
Yapılan aydınlık düzeyi ölçümlerinde ortam parametreleri (nem ve sıcaklık) sınırlar içerisinde tutulduğundan hesaplamalara katılmamıştır. Yeni, eskitilmiş ve yaşlandırılmış lambalar, dışarıdan ışık almayacak/sızdırmayacak ve yansıma yaratmayacakları siyah kutu içerisine yerleştirilerek uygun ortam koşulları oluşturulduktan sonra ölçümlenmişlerdir. Ölçümlerde lamba flamanı ve dedektör arası mesafe 80 cm olarak sabit tutulmuştur (Şekil 1.)
Şekil 1: Aydınlık düzeyi ölçüm düzeneği
Termal zorlanmanın her bir lamba üzerindeki etkisi Fluke TI27 marka termal kamera kullanılarak ölçülmüştür. Ölçümler 1 metre mesafeden her bir ölçüm aralığında tekrarlanmıştır.
4. Ölçüm Sonuçları
Lambaların 0-150 saat aralığında nominal şebeke gerilimi (230 V) ile yaşlandırılması sonucunda, parametrelerinde meydana gelen değişim, lamba türüne göre farklılık göstermektedir. Lambaların normal ışık akısı değerlerine ulaşabilmeleri için belirli bir süre eskitilmeleri gereklidir. Özellikle, flüoresan ve LED lambalar, ilk çalıştırıldıklarında ışık akıları kararsızdır ve en az 100 saatlik eskitme sonunda kararlı duruma geçerler. Bu nedenle, test ışık kaynakları ölçümler öncesinde kullanılan lamba tipine bağlı olarak nominal çalışma akımı ve sabit anma gerilimlerinde 1-3 gün gibi sürelerde çalıştırılıp `eskitilme' işlemine tabi tutulurlar [4]. Eskitme (ön koşullandırma) ve yaşlandırma terimleri birbirine karıştırılmamalıdır. Eskitmede amaç ışık akısının kararlı hale gelmesinin sağlanması iken, yaşlandırmadaki amaç kullanım ömrünün belirlenmesidir. Elbette kullanılan iki tipte 4 lambanın fiziksel çalışma prensibi farklı olduğu için, hepsi farklı oranlarda yaşlanacaklardır.
Lambalar, günde 1 açma-kapama yaptırılarak hergün 10'ar saat yaşlandırılmışlardır. Tüm lambaların aynı sürede açma kapama yapmasını sağlamak amacıyla, lambalar aynı noktadan beslenmiştir. Lambaların şebekeye bağlandığı noktada `REV Ritter GmbH' marka zamanlayıcı kullanılarak, 07.00-17.00 saatleri arasında çalıştırılmaları sağlanmıştır.
Değerlendirilen tüm lambalara ait aydınlık
düzeyi-yaşlandırma verileri, tek bir grafikte toplanmıştır. Kullanılmamış lambaların lüx değerleri %100 kabul edilmiş ve daha sonraki yaşlandırmalar sonucunda elde edilen değerler bu değere göre oranlanmıştır.
Kompakt flüoresan lamba için elde edilen grafikte, aydınlık düzeyindeki değişim min: 296 lx'ten max: 332 lx'e doğrudur. İlk 100 saatlik eskitmeye kadar geçen sürede lüx değeri yükselmekte ve 100 saat sonrasında lamba kararlı aydınlık düzeyine ulaşmaktadır. Lamba 100-150 saatleri arasında ortalama 315 lx seviyesindedir. Devam eden yaşlandırma sürecinde ise yaklaşık olarak 32 lx'lük bir düşüş ile 150 saat tamamlanmış olur. Bu durumda CFL lambanın aydınlık seviyesinde %4,42'lük bir düşüş oluştuğu söylenebilir.
Şekil 2: Yaşlandırma-aydınlık düzeyi değişimi
LED lambanın aydınlık düzeyinde ise ilk 100 saatlik eskitme sonunda 43 lx'lük bir artma olduğu gözlenmektedir. 8-100 saatlik yaşlandırma periyodunda ise aydınlık düzeyi çok dar bir aralıkta değişmiş ve ortalama 380 lx seviyesinde sabit kalmıştır. 150 saat sonrasında devam eden yaşlandırmalarda ise aydınlık düzeyinde daha yavaş bir azalış gözlenmiştir. Lambanın eskitilmesinden sonra, 150 saat yaşlandırılmasına kadar geçen süre içerisinde aydınlık seviyesinde %9'luk bir artış gözlenmiştir. Bu değişimler Şekil 2de verilmiştir. Tablo 1de başlangıçtan 200 saat sonuna kadar deneyler tamamlandığında aydınlık seviyesi ve termal zorlanmadaki toplam değişim % cinsinden verilmiştir.
Yaşlandırılan örneklerin üzerindeki sıcaklık aydınlık seviyesi için tanımlanan her bir zaman aralığında termal kamera kullanılarak ölçülmüş ve deneysel sonuçlar Şekil 3te verilmiştir. Şekil 3ten de görülebileceği üzere yaşlandırılan armatürler üzerinde sıcaklık üstel olarak artmıştır. Tüm lamba türleri için gözlenen bu termal zorlanma CFL flüoresan ve LED flüoresan için 100 saatin sonunda elde edilen termal kamera görüntüleri sırasıyla Şekil 4 ve Şekil 5te verilmiştir. Lambalara ait termal zorlanmanın takip edilmesindeki hedef aynı zamanda bu zorlanmanın lamba ömrü ve verimliliği üzerine etkisini incelemek amacı ile yapılmıştır. Tüm lambalar oda sıcaklığı stabil 21 oC olan laboratuvar ortamında yaşlandırılmış ve test edilmiştir.
Şekil 3: Yaşlandırma-sıcaklık değişimi
Şekil 4: Kompakt Floresan 100 saat sonunda termal kamera ile yapılan ölçüm sonucu
Şekil 5: LED Floresan 100 saat sonunda termal kamera ile yapılan ölçüm sonucu
Tablo 1de yüzde cinsinden aydınlık düzeyindeki değişim ve termal zorlanmanın farklı türde lambalar için değişimi özetlenmiştir. 200 saatin sonunda LED flüoresan hariç tüm lambalar için aydınlık düzeyi azalmıştır. Termal olarak tüm lambalarda zaman geçtikçe termal zorlanma artmış. En belirgin artış %72 ile sokak aydınlatmasında gözlenmiştir. Zamanla yaşlandırılan armatürler içerisinde zamandan en az etkilenen %33 ile LED flüoresan olmuştur.
5. Sonuçlar
4 farklı lamba üzerinde yapılan deneysel ve teorik çalışmalar sonucunda; flüoresan, sokak aydınlatması (LED), downlight (LED) lambaların yaşlandırılmasının 100 saate kadar olan süreçte aydınlık düzeylerini artığı ama 100-150 ve 150-200 saatlik dilimde ise aydınlık düzeylerinin azaldığı belirlenmiştir. LED flüoresan ise 150 ve 200 saatlik dilimindeki ölçümlerde lümen değerleri sürekli artmıştır.
4 farklı lamba üzerinde yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, lambaların yaşlandırılmasının termal zorlanmayı artırdığı belirlenmiştir. Yaşlandırılmaya bağlı olarak sıcaklık düzeyi en az değişen %33'lük artış ile LED flüoresan lambadır. Bu sonuç bize yeni LED flüoresan lambanın diğer deney elemanlarına göre termal dayanımının daha iyi olduğunu göstermektedir.
Önümüzdeki yıllarda flüoresan lambaların ve tasarruflu ampuller içinde kullanılan gazların çevreye ve insan sağlığına zararlı olması nedeniyle öncelikle Avrupa ve Japonya olmak üzere bu ürünlerin kullanımına kısa süre içinde son verileceği ve yerlerine green enerji ya da temiz enerji diye adlandırılabilen LED flüoresan, LED downlight gibi ürünler kullanıma girecektir.
Bu çalışma ile LEDli lambalardaki termal zorlanma bir kez daha deneysel olarak ortaya konmuştur. LEDli lambaların performansını etkileyen sıcaklık sorununa çözüm olacak termal tasarımların gerçekleştirilmesi ve güç faktörü düzeltme (PFC) özelliğine sahip sürücülerin kullanılması sayesinde LEDli aydınlatma sistemlerinin yakın gelecekte enerji verimliliği ve güç kalitesi üzerine olumlu katkılar sağlayacağı düşünülmektedir.
Kaynaklar
[1] Garip, M., Topal, O. Ve Umurkan, N., Aydınlatmada Enerji Verimliliği, ETMD, sayı. 40, pp. 4042, 2008.
[2] Taylor, Alma E. F., Illumination Fundamentals, Light Research Center, Troy, New York, pp.2435, 2000
[3] Türkoğlu, ****. ve Çalkın, Y., Ofis ve IşYeri Aydınlatmasında Standartlar ve Standart Ölçümler, VI. Ulusal Aydınlatma Sempozyumu, pp.152-157, Istanbul, 2006.
[4] Türkoğlu, ****., Sametoğlu, F., Çalkın, Y. ve Küçük, U., Otomotiv Yan Sanayiinde İhtiyaç Duyulan Standart Fotometrik Test ve Ölçümler, IX. Otomotiv ve Yan Sanayi Sempozyumu Bildiriler Kitapçığı, pp.34-45, Bursa, 2005.
