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Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken

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Inhalt: Modernisierung der leuchtfeuertechnischen Einrichtung des Leuchtturms Darßer Ort (WSA Stralsund)

Text: C. Mauel / Fotos: K. Mantoan

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Bild 1: Der Leuchtturm Darßer Ort.


Auftragsbeschreibung

Im Rahmen des Projektes F161 07 65 "Ablösung der Lichtquelle des Leuchtturm Darßer Ort" wurde die Fachstelle für Verkehrstechniken (FVT) beauftragt, die Lichtechnik des Leuchtturm Darßer Ort (WSA Stralsund) zu modernisieren.

Die nachfolgenden Internetseiten beinhalten die Beschreibung der von der FVT ermittelten Vorzugsvariante für den LT Darßer Ort sowie deren Realisierung.

Die lichttechnischen Werte für die leuchtfeuertechnischen Angaben sind ebenfalls in diesen Seiten enthalten.

Im Ergebnis der Untersuchung von unterschiedlichen Halogen-Metalldampflampen und Halogenglühlampen fiel die Wahl des neuen Leuchtmittels auf die Halogen-Metalldampflampe HQI-T-400W/N, welche den Wartungsaufwand gegenüber der bisher eingesetzten Glühlampentechnik stark reduziert und einen wesentlich energieeffizienteren Betrieb ermöglicht.

Der Leuchtturm Darßer Ort ist der letzte große Leuchtturm im Bereich des WSA Stralsund, der noch mit einer 2000W Glühlampe betrieben wurde. Da eine Beschaffbarkeit dieser Leuchtmittel nicht mehr gewährleistet ist, wurde die FVT beauftragt, ein neues Leuchtmittel für dieses Leuchtfeuer zu suchen.

Der Auftrag umfasste neben der Untersuchung der Einsatzmöglichkeit von Entladungslampen, nach dem Vorbild anderer großer Leuchtfeuer im Amtsbereich des WSA Stralsund, auch eine Abschätzung der Anwendbarkeit von LED-Technik in alten Leuchtfeueroptiken.

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Bild 2: Leuchtturm Darßer Ort, Turmkopf mit der Laterne und der Optik.


Einige Daten zum Leuchtturm Darßer Ort


Bild 3: Leuchtturm Darßer Ort, alte leuchtfeuertechnische Ausrüstung.

Durchgeführte Untersuchungen durch die FVT

Die Untersuchungen wurden in eine theoretische Abschätzung der Einsatzmöglichkeit von LED's in der Optik des Leuchtturmes Darßer Ort sowie in eine messtechnische Untersuchung von verschiedenen klassischen Leuchtmitteln (Entladungslampen und Halogenglühlampen) aufgeteilt.


Abschätzung der Anwendbarkeit von LED-Technik im LT Darßer Ort

Als Basis der Abschätzung dient der Lichtstrom der bisher eingesetzten 220 V/2000 W Glühlampe

Dem gegenübergestellt erreichen heutige Hochleistungsleuchtdioden (1 Watt-Dioden) in Weiß einen typischen Lichtstrom von ca. 25 lm (tatsächliche Leistungsaufnahme dabei 1,2 W). Dieser Wert gilt bei 25°C, eine Reduktion des Lichtstromes durch Erwärmung ist nicht berücksichtigt.

Sollte der Lichtstrom von 35000lm der Glühlampe erreicht werden, wären 1400 Hochleistungsleuchtdioden notwendig. Die Leistungsaufnahme läge bei 1680 W.

Für eine effektive Ausnutzung der Optik sollte sich das Leuchtmittel etwa im Brennpunkt dieser befinden. Bei einer Zahl von 1400 LED's ist dies auch bei einer hohen Packungsdichte nicht realisierbar.

Nimmt man die "Zylinderfläche" der Glühwendel der 2000W Lampe zum Vergleich (42 cm²), könnten dort bei einer Packungsdichte von 1 LED / cm² insgesamt 42 LED's platziert werden. Der Lichtstrom läge dann bei rund 1050 lm, also um den Faktor 33 geringer als die der Glühlampe.

Eine weitere Erhöhung der LED-Anzahl würde den benötigten Raum im Bereich des Brennpunktes vergrößern. Die LEDs liegen dann noch weiter vom Brennpunkt entfernt. Der Beitrag zur Achslichtstärke ist dann nur sehr gering. Eine höhere LED-Anzahl würde weit gehend nur zur Erhöhung der vertikalen und horizontalen Streuung beitragen.

Auch ein Vergleich der Lichtausbeute von weißen Leuchtdioden mit der Lichtausbeute von Entladungslampen zeigt keine Vorteile der LED-Technik. Halogen-Metalldampflampen erreichen eine Lichtausbeute von 90-100 lm/W, weiße Leuchtdioden liegen z.Z. bei etwa 20 lm/W.

Die Lebensdauer von Hochleistungsleuchtdioden liegt bei Einhaltung spezifizierter Randbedingungen bei ca. 70000 Stunden (8 Jahre), die von Halogen-Metalldampflampen bei rund 10000 Stunden (1,1 Jahre) und die der bisher eingesetzten Glühlampe beträgt 500 Stunden. Theoretisch erhöht sich das Wartungsintervall schon bei Einsatz der Halogen-Metalldampflampe um den Faktor 20.

Da die Kennungserzeugung durch das Drehlinsensystem im Leuchtturm vorgegeben ist, entfällt auch die Problematik der Kennungserzeugung, die sonst bei Entladungslampen durch mechanische Blenden erfolgen muss.

Die obigen Erläuterungen zeigen, dass ein Einsatz von LED-Technik in der Optik des Leuchtturmes Darßer Ort keine Vorteile birgt und aufgrund des hohen Platzbedarfs der LEDs nicht realisierbar ist.

Die weiteren Untersuchungen wurden daher mit Halogen-Metalldampflampen und alternativ mit Halogenglühlampen durchgeführt.


Messtechnische Untersuchung der Einsetzbarkeit von Entladungslampen und Halogenglühlampen.

Für die Untersuchungen stand ein dioptrisches Scheinwerferfeld des Leuchtturmes Darßer Ort im Lichtlabor der FVT zur Verfügung.

Die dioptrische Linse wurde mit fünf verschiedenen Halogen-Metalldampflampen und zwei Halogenglühlampen bezüglich der Lichtstärkeverteilung vermessen und die effektive Betriebslichtstärke nach Schmidt-Clausen [1] bei der vorgegebenen Umlaufgeschwindigkeit berechnet. Zum Vergleich wurde die alte 220 V / 2000 W Glühlampe in der vorhandenen Versuchsanordnung ebenfalls gemessen.


Bild 4: Versuchsaufbau Darßer Ort auf dem Drehstand im Lichtlabor der FVT mit alter 220 V / 2000 W Glühlampe.

Bei den Untersuchungen wurden auch mattierte Halogen-Metalldampflampen in Ellipsoidform neben den schon bewährten klaren Halogen-Metalldampflampen in Röhrenform berücksichtigt. Die Halogen-Metalldampflampen in Ellipsoidform wurden bisher noch nicht auf Leuchtfeuern eingesetzt. Bei schon durchgeführten Umrüstungen von Leuchttürmen wurden Glühlampen mit breitem Leuchtkörper durch Halogen-Metalldampflampen (Röhrenform, klar) mit vergleichsweise schmalen Entladungsbogen ersetzt. Die Breite des Leuchtkörpers/Entladungsbogens beeinflusst die Hellzeit der Lichterscheinung bei einem Drehlinsensystem maßgeblich. Durch den Einsatz von klaren Halogen-Metalldampflampen in Röhrenform wird die Hellzeit der Lichterscheinung zum Teil erheblich verkürzt.

Mattierte Halogen- Metalldampflampen in Ellipsoidform haben eine wesentlich größere leuchtende Fläche als Halogen- Metalldampflampen in Röhrenform, sodass der Unterschied zu Glühlampen geringer ausfällt. Allerdings wird durch die größere leuchtende Fläche auch die Leuchtdichte kleiner, was sich wiederum mindernd auf die effektive Lichtstärke auswirkt (siehe Tabelle 2 Effektive Betriebslichtstärken Ieff,B).

Alternativ zu Halogen- Metalldampflampen wurden auch Halogenglühlampen vermessen. Halogenglühlampen brauchen im Gegensatz zu Halogen- Metalldampflampen keine Abkühlphase nach einem Netzausfall und können direkt wiedergezündet werden.

Bei Halogen-Metalldampflampen hingegen muss die Steuerung gewährleisten, dass die Reservelampe bzw. die kühlere Lampe nach einem Netzausfall in den Brennpunkt gefahren wird.

Typ WSV-Nr.
220 V/2000 W alte Bestückung keine
HPI-T 250 W Halogen-MetalldampflampeRöhrenform mit klarem Kolben 6240-0882
HRI-E 250 W/D Halogen-MetalldampflampeEllipsoidform mit mattiertem Kolben keine
HQI-T 400 W/N Halogen-MetalldampflampeRöhrenform mit klarem Kolben 6240-0883
HRI-E 400 W/N/Sc Halogen-MetalldampflampeEllipsiodform mit mattiertem Kolben keine
HRI-T 2000 W/N Halogen-MetalldampflampeRöhrenform mit klarem Kolben 6240-1436
GE 120 V/600 W HalogenglühlampeAxialwendel 6240-1668
230V/1000W Halogenglühlampe Transversalwendel 6240-2635
Tabelle 1: Untersuchte Lampentypen.

Ergebnisse

Die nachfolgend aufgeführten effektiven Betriebslichtstärken Ieff, B ergaben sich bei den Messungen. Die Lichtverteilungskurven sind in Teil 5 dargestellt.

Lampe Imax in cd Übertragungsgrad k Ieff,B* in cd
Glühlampe220 V/2000 W 820000 0,456 280500
HPI-T 250 W 1122000 0,196 165000
HRI-E 250 W/D 106000 0,608 48000
HQI-T 400 W/N 1805000 0,235 318000
HRI-E 400 W/N/Sc 183000 0,623 85500
HRI-T 2000 W/N 2935000 0,288 633000
GE 120 V/600 W 1552000 0,209 243000
230 V/1000 W breite Seite 2770000 0,256 532500
*Bestimmung nach der Methode von Schmidt-Clausen siehe [1] Ieff,B=0,75*k*Imax

Tabelle 2: Effektive Betriebslichtstärken Ieff, B

Für die weiteren Betrachtungen wurden die Halogenglühlampe von 230 V / 1000 W und die klare 2000 W Halogen- Metalldampflampe aus den nachfolgend genannten Gründen ausgeschlossen. Die Halogenglühlampe eignet sich durch die transversale Wendelform nur bedingt für einen Einsatz auf dem Leuchtturm Darßer Ort, da je nach Ausrichtung der Wendel unterschiedliche Lichtstärken erreicht werden. Die klare 2000 W Halogen- Metalldampflampe in Röhrenform hat im Vergleich zur 400W Halogen-Metalldampflampe die 5-fache Wirkleistungsaufnahme, erreicht aber aufgrund der hohen vertikalen Streuung von 9,3° (Halbstreuwinkel) nur etwa die doppelte effektive Lichtstärke. Die effektive Lichtstärke der klaren 400 W-Halogen-Metalldampflampe in Röhrenform ist aber für den Einsatz im Leuchtturm Darßer Ort schon ausreichend.

Es zeigte sich zudem, dass die Hellzeit (Basis 1/10 Imax) der 2000 W Halogen-Metalldampflampe gegenüber der klaren 400 W-Halogen- Metalldampflampe in Röhrenform nur unwesentlich größer ist.

Die Halogen- Metalldampflampen in Ellipsoidform besitzen eine deutlich kleinere effektive Lichtstärke als die bisher eingesetzte Glühlampe, allerdings auch eine deutlich höhere Hellzeit.

In der folgenden Tabelle sind die Hellzeiten der untersuchten Lampen ersichtlich.

Die Hellzeiten (Basis 1/10 Imax) sind ermittelt aus den Verläufen der Lichtstärken über der Zeit.

Lampe Hellzeit in ms
220 V / 2000 W alte Bestückung 323
HPI-T 250 W Halogen-Metalldampflampe, Röhrenform mit klarem Kolben 87
HRI-E 250 W/D Halogen-Metalldampflampe, Ellipsoidform mit mattiertem Kolben 451
HQI-T 400 W/N Halogen-Metalldampflampe, Röhrenform mit klarem Kolben 110
HRI-E 400 W/N/Sc Halogen-Metalldampflampe, Ellipsiodform mit mattiertem Kolben 570
HRI-T 2000 W/N Halogen-Metalldampflampe, Röhrenform mit klarem Kolbe 140
GE 120 V / 600 W Halogenglühlampe, Axialwendel 93
230V / 1000W Halogenglühlampe, Transversalwendel 124
*Hellzeit errechnet aus 1/10 des gemittelten Lichtstärkeverlaufs

Tabelle 3: Hellzeiten.

Als Ergebnis der Messungen ist festzuhalten, dass die klare 400 W Halogen- Metalldampflampe in Röhrenform aufgrund ihrer effektiven Betriebslichtstärke die beste Eignung als Ersatz für die 220 V/2000 W Glühlampe auf dem LT Darßer Ort besitzt. Durch die kleineren Abmessungen des Lichtbogens ergeben sich aber kürzere Hellzeiten gegenüber der bisher eingesetzten 220 V / 2000W Glühlampe. Die kürzere Hellzeit kann aber akzeptiert werden, es kommt zu keiner Kennungsänderung.


Durchgeführte Maßnahmen

Erprobung der möglichen Ersatzleuchtmittel auf dem LT Darßer Ort

In Rücksprache mit dem WSA Stralsund wurde vereinbart, die aufgrund der Messungen möglichen Leuchtmittel einer Erprobung auf dem LT Darßer Ort zu unterziehen.

Durch diese Erprobung sollte zum einen festgestellt werden, ob durch den Einsatz moderner leuchtdichtestarker Lampen Reflexionen in der Optik enstehen und diese zu Fehlkennungen führen. Darüber hinaus sollte der Versuch dazu dienen, den visuellen Eindruck von Halogen- Metalldampflampen / Halogenlampen in Leuchtfeueroptiken von See aus zu bewerten. Dies galt insbesondere für die Lichtfarbe, Blitzdauer und die Erkennbarkeit der Lichterscheinung. Die Erprobung wurde am 03. 03. 2004 durchgeführt.

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Bild 5: Versuchsaufbau bei der Erprobung LT Darßer mit der alten 220 V / 2000 W Glühlampe als Referenz.

Als Ergebnis der Erprobung wurde festgehalten, dass sich auch aufgrund der subjektiven Eindrücke die klare 400 W Halogen-Metalldampflampe in Röhrenform am besten für den Einsatz auf dem LT Darßer eignet. Dies deckt sich mit den Messungen im Lichtlabor der FVT (siehe Tabelle 2). Reflexionen und dadurch verursachte Fehlkennungen traten bei den Versuchen nicht auf.


Umbaumaßnahmen LT Darßer Ort

Die Festlegung auf die Lampe HQI-T 400 W/N, die im Gegensatz zu Glühlampen Zünd- und Vorschaltgeräte in unmittelbarer Nähe der Lampe benötigen, bedingte auch einen Neubau der Lampenwechselvorrichtung. Wegen der hohen Lebensdauer der Lampe von 10000 Stunden ist ein Zweifachwechsler ausreichend. Da keine handelsüblichen Produkte existieren, wurde ein neuer Lampenwechsler in der FVT konstruiert und gefertigt.

Der Einbau des Lampenwechslers und die Inbetriebnahme mit dem neuen Leuchtmittel erfolgte in der KW 38 / 2004.


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Bild 6: Darßer Ort nach Umbau mit Leuchtmittel HQI-T400W/N, Sonnenschutz und Vorschaltgeräten.


Zeitlicher Verlauf der Lichtstärke der untersuchten Leuchtmittel

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Bild 7: Zweifach-Wechselvorrichtung LT Darßer Ort, konstruiert und gefertigt in der FVT.


Bild 8: Vorschaltgerät LT Darßer Ort, konstruiert und gefertigt in der FVT.


Ergänzungen zu den leuchtfeuertechnischen Angaben (Stand 2004)


[1]  Schmidt-Clausen, H.-J.: Über das Wahrnehmen verschiedenartiger Lichtimpulse bei veränderlichen Umfeldleuchtdichten. Dissertation TH-Darmstadt 1968. 


Bildnachweis: FVT