태양광 가로등에는 몇 개의 LED가 필요한가?

LED 개수가 실제로 의미하는 바

LED는 전기 에너지를 빛으로 변환하는 반도체 소자로, 각 LED는 방향성 있는 빛을 내며 열을 적게 발생시킵니다. 조명기구의 총 출력은 LED 개수와 각 LED의 광도를 곱한 값입니다. 이 공식에서 LED 개수가 많다고 해서 반드시 더 좋은 성능을 의미하는 것은 아닙니다. 저전류로 작동하는 96개의 LED를 사용한 조명기구가 종이상으로는 더 인상적일 수 있지만, 고효율 LED를 사용한 24개의 LED를 사용한 조명기구가 실제로 더 나은 성능을 낼수 있습니다.

우리가 가장 자주 반박하는 것은 구매자가 두 개의 조명기구를 LED 개수로 비교하는 것입니다. 이러한 비교는 단지 각 제조업체가 어떻게 LED를 배치했는지만을 보여줄 뿐입니다.

실제로 LED 개수를 결정하는 요소들

우리의 BOM(부품 목록)에서 LED 개수는 다음과 같은 과정을 거쳐 결정됩니다:

1. 도로의 목표 조도와 균일성 : 조명 설계를 통해 결정됩니다.
2. 목표로 하는 총 광도 : 광학적 손실(렌즈, 커버, 먼지 등)을 고려한 후 조명기구의 최종 광도가 결정됩니다.
3. LED 선택 : 목표 전류에서의 LED 효율과 등급을 고려하여 LED를 선택합니다.
4. LED 개수 : 열적 제약 내에서 목표 광도를 달성하기 위해 결정되는 최종 사양입니다.

1단계와 2단계는 엔지니어링 과정이며, 4단계는 단순한 산술적 계산입니다. LED 개수만을 기준으로 제품을 선택하는 공급업체는 사실상이 전체 과정의 마지막 단계만을 고려하는 셈입니다.

LED 개수가 실제로 중요한 경우

설계자의 선택을 제한하는 세 가지 요소가 있습니다:

• 열 밀도 : 작은 보드에 많은 LED를 집중적으로 배치하면 접합부의 온도가 상승하며, 이는 출력과 수명에 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 좋은 조명기구는 LED를 밀집 배치하는 대신 고르게 분산시킵니다.
• 구동 전류의 선택 : 각 LED를 정격 전류 이하로 사용하면 효율과 수명이 향상되지만, 동일한 광도를 얻기 위해 더 많은 LED가 필요해져 비용과 결함 가능성이 증가합니다.
• 이중화 설계 : LED가 많을수록 고장 난 LED가 눈에 띄지 않습니다. 이것이 더 많은 LED를 사용하는 이유입니다. 하지만 고장 난 드라이버(driver)가 모든 LED를 동시에 작동하지 못하게 만들 수 있다는 점에 주의해야 합니다. 드라이버가 고장나면 모든 LED가 함께 작동을 멈춥니다.

LED 개수 대신 물어봐야 할 질문들

진정한 설계를 마케팅용 데이터와 구별하기 위해 다음 네 가지 질문을 해보세요:

1. 실제 작동 온도에서의 총 광도는 얼마인가? (실험실의 25°C에서의 수치가 아닙니다.)
2. 각 LED에 얼마의 구동 전류가 공급되며, 그 전류에서의 정격 수명은 얼마인가?
3. 열은 보드에서 하우징으로 어떻게 방출되며, 정격 출력 시의 접합부 온도는 얼마인가?
4. 만약 한 개의 LED가 고장나면 도로의 조도는 어떻게 변하며, 드라이버는 어떻게 교체되는가?

이러한 질문들을 통해 실제로 제품의 성능을 평가할 수 있습니다.

한 문단에 네 가지 모든 요소를 담은 조명 장치가 설계되었습니다. 하지만 수많은 LED를 사용하는 조명 장치는 그렇지 않습니다. 조명 계산을 직접 수행하려면 저희의 조명 설계 도구를 사용하시기 바랍니다. 카운트, 광학적 설계, 열 설계가 이미 완료된 완전한 조명 장치에 대해서는 저희의 올인원 태양광 가로등 제품군을 참조하시기 바랍니다.

참고로 사용하는 구성 사양

다음은 주거 도로, 주차장, 소규모 공공장소에 일반적으로 적용되는 사양입니다. 이러한 장소에서는 가격 경쟁이 심하며, 과도한 사양 지정이 흔한 실수입니다:

이 제품은 시장에서 가장 밝은 제품은 아니며, 그럴 의도도 없습니다. 이 제품은 평균적인 일조량 하에서 연중 내내 작동하도록 설계되었습니다. PIR 센서는 사람이 지나갈 때 출력을 100%로 높이고, 주변이 비어 있을 때는 다시 원래 수준으로 낮춥니다. 이러한 방식으로 대부분의 에너지 절약이 이루어집니다.

에너지 예산 (항목별로 상세 설명)

입력: 맑은 날에는 태양광 패널이 약 40W × 4.5시간의 피크 일조 시간 × 0.85의 시스템 효율로 하루에 약 153Wh의 전력을 생산합니다. 여기서 0.85는 변환 과정, 배선, 컨트롤러의 손실을 고려한 수치입니다. 이 수치를 기반으로 예산을 책정합니다. 흐린 날에는 생산되는 전력이 절반으로 줄어들 수 있습니다.

저장: 3.2V × 36Ah 배터리는 저전압 임계값에 도달하기 전까지 약 115Wh의 전력을 저장할 수 있습니다. 주의할 점은 일일 전력 소비량(153Wh)이 저장 용량(115Wh)을 초과한다는 것입니다. 이는 정상적인 현상이며, 남은 전력이 악천후 기간 동안 시스템을 계속 작동시켜줍니다.

소비: 4단계의 밝기 설정에 따른 전력 소비량은 다음과 같습니다:

먼저 계산해보면, 최대 밝기로 설정할 경우 115Wh의 배터리는 약 2.5~3시간 만에 소진됩니다. 이 하드웨어에서는 밤새도록 100% 밝기를 유지하는 것이 물리적으로 불가능합니다. 그렇게 주장하는 제품 사양서는 사용자에게 알리지 않고 조명을 어둡게 조절하거나 훨씬 더큰 배터리를 사용하고 있는 것입니다.

밤새도록 113Wh의 전력을 사용할 수 있는 조도 조절 방식

참고 제품을 기준으로 한 8시간 동안의 조명 작동 시간 동안의 기본 프로그램은 다음과 같습니다:

• 해질 뒤 1~2시간: 50% 밝기 . 야간에 보행자의 활동이 가장 많습니다. 20W로 2시간 동안 작동하면 약 40Wh의 전력이 소모되며, 이는 충분한 조명 수준이면서도 예산을 절약할 수 있습니다.
• 3~6시간: 30% 밝기 . 교통량이 줄어들기 때문에 배경을 볼수 있는 정도의 조명만 필요합니다. 12W로 4시간 동안 작동하면 약 48Wh의 전력이 소모됩니다.
• 7~8시간: 동작 감지 모드로, 움직임이 감지되면 100% 밝기로 전환 . 하룻밤 동안 동작이 총 1시간 정도 발생하는 경우, 약 25Wh의 전력이 소모됩니다.

총 배터리 용량은 약 115Wh이지만 실제 사용량은 약 113Wh입니다. 남은 2Wh는 의도적으로 남겨둔 것입니다. 일정을 배터리 용량의 약 95% 수준으로 조정함으로써 햇볕이 적은 날에도 밤이 너무 어두워지지 않도록 하기 위함입니다. 저희의 경험에 따르면, 일정의 설정이 발광체보다 더 중요합니다. 동일한 패널과 배터리를 사용한 두 개의 장치라도 컨트롤러가 에너지를 어떻게 사용하는지에 따라 작동 시간에 차이가 날수 있습니다.

왜 LED를 추가해도 빛이 더 밝아지지 않는가?

동일한 구동 전류에서 발광체의 수를 두 배로 늘리면 더 많은 부품에서 빛이 나오지만, 그에 따라 열도 더 많이 발생하고 고장률도 증가합니다. 구동 전력을 두 배로 늘리면 빛은 더 밝아지지만 배터리는 자정 전에 방전됩니다. 비용과 성능을 동시에 고려하는 지표는 ‘효율성’, 즉 ‘와트당 루멘(lumens per watt)’입니다. 100 lm/W의 경우 40W의 전력으로 4,000루멘의 빛을 얻을 수 있지만, 70 lm/W의 경우 같은 양의 빛을 얻기 위해서는 57W의 전력이 필요하며 이는 전체 예산을 초과하게 됩니다. 저희가 견적을 제시할 때는 먼저 루멘과 와트당 루멘(lm/W)을 기준으로 지정한 후, 그에 맞게 에너지 사용량을 조정합니다. LED의 수는 단지 조립 과정에서의 세부 사항에 불과합니다.

이 가이드에서 다루지 않는 내용

이 페이지에서는 LED의 수를 선택 기준으로만 다룹니다. 렌즈나 빛 분포의 선택(렌즈 및빛 분포 가이드 참조), 충전 컨트롤러의 사양 선택, 배터리 선택에 대해서는 다루지 않습니다.