Аналитическая записка
к вопросу об использовании на ОАО «Техноприбор»
светодиодов в разработке энергосберегающих светильников
для ЖКХ и уличного освещения
По статистике, на сегодняшний день до 20 % всей электроэнергии в современном мире расходуется на освещение. Полупроводниковая электроника и оптоэлектроника — это наиболее динамично развивающаяся отрасль техники. Что можно ожидать от полупроводниковых технологий в области энергосбережения? Наиболее очевидная (но не единственная) перспектива — это альтернативный вид освещения, который должен занять место привычных нам ламп накаливания.
Рассмотрим эффективность преобразования энергии различных осветительных приборов.
Обычная лампочка накаливания только 10 % получаемой энергии излучает в виде полезного света, и то не белого, а жёлтого. Остальные 90 % тратятся на нагрев окружающего воздуха, ибо нить накала в лампочке светится в инфракрасном диапазоне и только малая доля излучаемого лампочкой света приходится на видимую часть спектра. Средняя продолжительность горения ламп накаливания 1000 часов. Светоотдача порядка 10 лм/Вт. Индекс цветопередачи тепловых источников света Ra соответствует оценке «отлично» и близок к 100. Средняя цена 1000 руб.
Единственный способ увеличения эффективности — это повышение температуры нити накала. Для этого колбу лампы заполняют газом с добавлением галогенных элементов (паров йода или брома) под высоким давлением, чтобы нить не испарялась при более высокой температуре, — получается галогенная лампа. Колба у галогенной лампы выполнена из кварцевого стекла, более устойчивого к высокой температуре и химическому воздействию, благодаря этому размеры галогенных ламп меньше в несколько раз по сравнению с обычными лампами накаливания такой же мощности. Галогенная лампа излучает в видимом диапазоне до 15 % затраченной мощности. Такая эффективность нас также не устраивает. Средняя продолжительность работы галогенных ламп 2 500 часов. Светоотдача порядка 20 лм/Вт. Индекс цветопередачи Ra близок к 100. Средняя цена 4 000 руб.
Два принципиально иных источника света: люминесцентные лампы и светодиоды.
Люминесцентные трубки светятся, когда в них загорается электрический разряд. В заполняющем трубку инертном газе (неон, аргон, гелий) растворяют пары ртути. От атомов ртути под действием электрического разряда отрываются электроны и, ускоренные электрическим полем сталкиваются с другими атомами ртути, отдавая энергию в виде ультрафиолетового излучения. Трубка покрыта изнутри люминесцентным материалом, который поглощает ультрафиолет и переизлучает его уже как видимый свет. Светоотдача порядка 40 лм/Вт. Средняя продолжительность работы современных люминесцентных ламп 8 000 часов. Средняя цена 9 000 руб. Индекс цветопередачи Ra различных типов люминесцентных ламп находится в пределах 60-80.
Но наиболее перспективный вариант — светодиоды. Светодиод по сути это тот же самый полупроводниковый диод, который применяется в электрических схемах как выпрямитель, только сделан он не из кремния, а из специальных, так называемых «прямозонных» полупроводников. Он излучает непосредственно видимый свет. Цвет свечения светодиода можно подобрать, выбирая в качестве основы полупроводниковый материал с нужной шириной запрещённой зоны. Светоотдача светодиодов малой и средней мощности порядка 50-60 лм/Вт. Продолжительность работы до 80 000 часов. Цена сопоставимая и постоянно снижается.
Вторжение полупроводников в освещение началось как раз там, где нужен цветной свет. Это, в первую очередь, светофоры. Здесь применяются маломощные светодиоды и преимущества их очевидны.
Ещё нужно заметить, что светодиоды стали широко применяться для подсветки архитектурных сооружений и в качестве источников света в светильниках для сигнальных заградительных огней и создания световых композиций.
Но больше всего нас интересует всё-таки белый свет. Самый прямой способ получения белого света — это смешение красного, зелёного и синего, как на экране телевизора. Но проще и эффективнее взять синий светодиод, нанести на него люминесцентный материал, который преобразует часть синего света в жёлтый — в результате их смешения получается белый свет. Основная составляющая часть мощного (от 1 до 10 Вт) белого светодиода высокой яркости (HB LED -светодиод) — сложное полупроводниковое соединение, состоящее из нитридов галлия и индия ( InGaN ), созданное эпитаксиальным наращиванием на подложке из карбида кремния ( SiC ). Эта технология обеспечивает наивысшие показатели соотношения стоимость-эффективность для светодиодных источников света. Средняя цена такого светодиода порядка 30 000 руб. Но стоимость их постепенно падает.
Когда технологии сверхъярких светодиодов обеспечат их ценовую конкурентоспособность по сравнению со всеми видами ламп, придётся сворачивать ламповое производство. В предвидении этого в разработки и организацию производства светодиодов вкладывают средства такие гиганты светотехнической промышленности (выпускающие лампы накаливания и люминесцентные лампы), как General Electric, Philips, Osram. Производители светотехники сами уничтожают свой бизнес, но если сегодня они этого не сделают, то завтра придут другие.
Чтобы изготавливать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобится слияние нескольких отраслей — электронной, электротехнической и светотехнической.
В настоящее время в Республике Беларусь не производятся серийно кристаллы, на базе которых могли быть собраны светодиоды ни сами светодиоды на базе импортируемых кристаллов. Но, думается, эта задача вполне по силам НПО «Интеграл» г. Минск, которое владеет технологиями получения кремниевых подложек и технологиями создания эпитаксиальных слоёв. ОАО «Техноприбор» г. Могилёв, как предприятие, знакомое со светодиодной техникой могло бы взять на себя разработку и освоение выпуска широкой номенклатуры светодиодных энергосберегающих светильников различного назначения.
В настоящее время в качестве источников белого света применяются высокоэффективные сверхъяркие светодиоды со световой отдачей до 90 лм/Вт и сроком службы до 100 000 часов. Основные производители таких светодиодов: компания Seoul Semiconductor (Южная Корея), Nichia Chemical Corp (Япония), Cree Inc (США), Vishay Electronics (Германия), A-BRIGHT (Тайвань, Китай), НПЦ «Оптэл» и НЦ «Кавер-лайт» (Россия).
Это позволяет создавать энергосберегающие светильники для функционального освещения открытых пространств, парковых и пешеходных зон, железных и автодорог, туннелей, производственных и офисных помещений, складов, торговых центров, магазинов, витрин, подъездов и лестничных площадок. Светоотдача сверхъярких светодиодов новейших разработок достигает более 110 лм/Вт, что значительно повышает их конкурентоспособность в сравнении с энергосберегающими люминесцентными лампами.
Перечислим преимущества светодиодов и, соответственно, создаваемых на их основе светодиодных светильников:
— срок службы до 100 000 часов, что эквивалентно 10 годам непрерывной работы или 20 лет работы в режиме реального городского освещения. Это обусловлено отсутствием нити накала, благодаря нетепловой природе излучения света. Галогенную лампу за этот срок придётся заменить примерно 80 раз, металлогалогенную — 20 раз, люминесцентную — 10 раз.
— высокая экономичность энергопотребления. Снижение энергопотребления в 4-5 раз в сравнении со светильниками на основе традиционных ламп и в 2 раза в сравнении с компактными энергосберегающими люминесцентными
лампами.
— экологическая безопасность и отсутствие необходимости специальной утилизации: светильники на диодах не содержат ртути, её производных и других ядовитых или вредных составляющих, что является явным недостатком всех люминесцентных ламп.
— высокая механическая прочность, виброустойчивость и надёжность, вследствие отсутствия стеклянной колбы и нити накала (или горелки).
— контрастность света светодиодов значительно превышает контрастность газоразрядных ламп, тем самым обеспечивает значительно лучшую чёткость освещаемых объектов.
Индекс цветопередачи Ra 80 и более. Это ниже, чем у тепловых источников света, но соответствует всё-таки оценке «отлично»:
— показатель использования светового потока близок к 100 %, тогда как у стандартных уличных светильников — 60-75 %. Мощные светодиоды представляют собой идеальные источники света со встроенной корректирующей оптикой, что обеспечивает идеальное формирование заданных диаграмм направленности светового потока.
— отсутствие вредного эффекта низкочастотных пульсаций свойственного газоразрядным источникам света. Световой поток светодиодов постоянен, как и естественный свет солнца, что обеспечивает психологический и зрительный комфорт.
— полное отсутствие опасности перегрузки электросетей в момент включения. Потребляемый и пусковой ток светодиодного светильника равен 0,7–1,1 А, а у светильника с газоразрядной лампой потребляемый ток 2,1 А, а пусковой 4,5 А. Для оптимизации рабочих характеристик газоразрядных ламп требуются дополнительные системы и устройства.
— мгновенное зажигание при подаче питающего напряжения и независимость работоспособности от низких температур, в отличие от широко используемых в настоящее время для уличного освещения ртутных (люминесцентных) и натриевых (металлогалогенных) ламп.
— при монтаже светодиодных светильников требуется кабель меньшего сечения, что является существенной статьёй экономии.
— экономия рабочей силы, так как светильник на светодиодах не нуждается в техническом обслуживании на протяжении всего срока службы.
Однако светодиодные источники света пока ещё слишком дорогие. Но можно с уверенностью констатировать, что мы стоим на пороге начала массового проникновения светодиодов в сферу общего освещения. Это происходит в момент времени, когда значительно возросли цены на энергоносители, а общество, в свою очередь, обеспокоено состоянием окружающей среды.
Всё это значительно увеличивает заинтересованность в применении энергосберегающих технологий и систем, а преимущества светодиодной техники здесь неоспоримы.