?????????, ???? ????????...

Журнал "Магазин свет"

Регистрация Забыли пароль? Вход

Светодиодные технологии: практика и перспективы

Сфера применения светоизлучающих диодов (СИД) постоянно расширяется благодаря ускоренному развитию полупроводниковых источников света и уже сегодня можно говорить об интенсификации их развития, а также о мировой практике интеграции.

Сегодня мы все чаще обсуждаем светодиодные технологии. Следствием общего стремления к экономии энергии и охране окружающей среды становится появление правовых норм, предусматривающих отказ от использования энергоемких источников света, прежде всего ламп накаливания в течение ближайших нескольких лет. Средства массовой информации создают вокруг таких правовых актов атмосферу технической сенсации, а благодаря маркетинговой активности производителей в качестве источников света будущего рассматриваются светодиоды, которые призваны стать универсальным источником дешевого искусственного света. Но есть ли основания сегодня говорить о том, что светодиоды вскоре вытеснят все остальные источники света?

Изначально светодиоды использовались в качестве простых световых индикаторов в электроаппаратуре. Но активные поиски все более совершенных и дешевых источников света привели к тому, что за последние несколько лет светодиоды, наряду с металлогалогенными лампами высокого давления, переживают период бурного развития. На этом основываются предположения о том, что в недалеком будущем освещение на базе полупроводниковых источников видимого излучения перевернет наши представления о светотехнике.

«Подсчитано, что если в США заменить светодиодами все лампы, используемые в дорожной сигнализации, то годовой расход электроэнергии сократится на 2,5 млрд. киловатт-часов.»

Освещение на базе технологии СИД заключается в использовании в качестве источников света светодиодов вместо ламп накаливания, люминесцентных и газоразрядных ламп. В отличие от традиционных ламп, работающих при переменном напряжении, светодиоды питаются от постоянного тока низкого напряжения, благодаря чему могут генерировать такое же количество света, потребляя при этом намного меньше электроэнергии.

Ограничения СИД

Несмотря на столь стремительное развитие светодиодов, все-таки есть ряд «минусов», которые ограничивают сферу их применения. Вот наиболее значимые из них:

небольшая мощность и световой поток одиночного элемента СИД;
относительно высокое выделение тепла.

Здесь начинается самое интересное. Считается, что светодиод вообще не выделяет тепла. Это правда. Но только, если сравнивать с лампочкой накаливания. В ней светится вольфрамовая нить за счет того, что под действием напряжения она раскаляется почти до температуры плавления. Именно в этом и заключается низкий коэффициент полезного действия лампы: почти вся энергия электрического тока уходит на нагрев нити накаливания. А свечение, по большому счету, вообще можно рассматривать как побочный эффект.

В светодиоде светится так называемый p-n переход кристалла. Грубо говоря, это место где один тип металла (-p) соединяется с другим типом (-n). Так вот, если сравнивать с лампочкой накаливания, здесь ничто не нагревается до температуры плавления. Да и задачи такой (раскалить так, чтобы почти расплавилось, но не до конца) не было. Задача – найти такое сочетание различных проводников, чтобы из этой зоны с минимальными потерями выходило как можно больше света.

И вот здесь начинаются проблемы. Идеальной комбинации -p и -n проводников пока еще не найдено, да и навряд ли найдут (иначе станет возможным создание Вечного двигателя, что теоретически невозможно), и потери, хотим мы того или нет, – всегда будут. Поэтому вместе с частичками видимого света излучается еще и небольшое количество тепла. В прошлом, когда светодиоды были настолько тусклыми, что использовались лишь в индикации, это испускаемое тепло никто и не считал – столь ничтожно малым оно было.

Сейчас же, с появлением мощных и сверхмощных светодиодов соотношение света и тепла, излучаемое кристаллом осталось прежним, но теперь оно уже более ощутимое. Для наглядности посмотрите на обычную рядовую микросхему. Допустим, это чип размером 1 на 1 см. Чем больше эта микросхема выполняет задач, тем сильнее она греется. Но если это простая микросхема, теплоотводом может служить и сам корпус микросхемы, а также металлические выводы-контакты, которыми она припаяна к плате. Если же мы хотим внутри такой же микросхемы расположить в миллионы раз больше полупроводниковых элементов и заставить эту микросхему выполнять в миллионы раз больше операций – выделение тепла возрастет во много раз и нам потребуется ее охлаждать принудительно. Чтобы далеко не ходить, посмотрите на любой из ныне существующих компьютерных процессоров – они все снабжены алюминиевым или медным радиатором с принудительным обдувом вентилятором.

Примерно тоже самое происходит и в светодиоде. Когда мы с одной и той же площади чипа пытаемся «выжать» больше света, пропорционально растет количество выделяемого тепла внутри самого кристалла. И чтобы его отводить, нужно охлаждение. Так, мощным светодиодам типа «пиранья» в качестве теплоотвода достаточно своего корпуса и печатной платы, на которую крепится светодиод.

А вот для сверхмощного светодиода уже потребуется дополнительное охлаждение в виде радиатора. Но откуда же возникает это тепло? В светодиоде, как уже говорилось, существуют потери во время преобразования электричества в свет. Но часть этого света (фотонов) остается внутри кристалла. К кристаллам, где выходит относительно много света и мало остается внутри, применительно определение «высокий квантовый выход». Если же светодиод сам по себе не достаточно яркий и на один ватт подаваемого напряжения приходится относительно мало «выходных» люмен, то здесь применительно определение «кристалл с низким квантовым выходом».

Светодиодный кластер, смонтированный на радиатор

Так что у любого среднестатистического светодиода температура чипа всегда растет вместе с его мощностью. Типичная рабочая температура производимых на сегодняшний день светодиодов составляет от 80°С до 155°С, а с учетом постоянного развития технологий в ближайшем будущем может достигнуть и 250°С.

Если говорить о светодиоде, как источнике освещения, например для квартиры, то такого еще не создано. Даже самый яркий из ныне существующих светодиодов не может дать столько света, чтобы осветить комнату, как это делает 100-ватная лампочка накаливания. Нет, конечно, существующие технологии, которые позволяют создать такой СИД, но вот система охлаждения для него будет настолько дорогой, что стоимость и без того недешевого светодиода просто померкнет в стоимости этого рефрижератора. Поэтому применяют так называемую кластерную компоновку, когда на одной плате располагается несколько светодиодов, кристаллы которых по отдельности выделяют на порядок меньше тепла. Есть еще варианты, когда в одном чипе (корпусе) располагают несколько кристаллов, что тоже имеет право на жизнь.

Одним словом, все это влечет за собой необходимость установки в одном светильнике большого количества светодиодов для получения достаточного суммарного светового потока. В профессиональных установках для решения этой проблемы используются светодиодные планки или панели, однако такие конструкции громоздки, что ограничивает сферу их применения.

Сферы применения СИД сегодня

Благодаря возможности получения цветного излучения, светодиоды на сегодняшний день широко применяются:

в рекламном освещении;
в эстрадном освещении и на дискотеках;
в световых табло;
в дорожной световой сигнализации;
в автомобилестроении (автомобильные фары, указатели поворота, фары стоп-сигнала, заднего хода).

Светодиоды также часто используются для аварийного освещения, по причине низкого потребления питания.

Поскольку в спектре светодиодов отсутствует ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, они часто применяются для экспозиционного освещения в музеях и картинных галереях.

В последнее время белые и цветные светодиоды все чаще появляются в интерьерном освещении. В этой области на сегодняшний день популярны, главным образом, небольшие интерьерные светильники для декоративного, локального или акцентного освещения. Такие светильники, как правило, содержат небольшое количество светодиодов малой мощности пригодных для монтажа с чередованием.

Однако в мире уже существуют первые экспериментальные системы светодиодного освещения офисов, помещений общественного пользования и даже целых зданий.

Светодиодные источники света все чаще появляются в наших домах. Они применяются:

в кухонном электрооборудовании (освещение холодильников, духовок, микроволновых печей);
в освещении ванн, душевых кабин, гидромассажных ванн;
подсветке лестниц;
в настольных лампах;
в декоративных гирляндах.

Более широкие и серьезные возможности применения открываются перед т.н. мощными светодиодами, потребляющие более 1 Вт.

Внешняя подсветка архитектурных объектов

Белые и цветные мощные светодиоды в виде планок и лент – это прекрасные источники света для постройки узких, герметичных линейных светильников, предназначенных для подсветки архитектурных сооружений. Возможность изменения цветов и управления световыми эффектами открывает новые горизонты для художественных решений в сфере иллюминации. Низкое потребление энергии расширяет возможности применения таких установок.

Сегодня уже более 3000 крупных зданий в мире подсвечивается с помощью светодиодов. Светодиоды используются также в подсветке архитектурных и инженерных сооружений: башен, мостов, плотин, промышленных объектов и т.д.

Дорожное и городское освещение

Широкие возможности применения светодиодов открываются также в наружном освещении. Открытое пространство облегчает отвод тепла, выделяемого мощными светодиодами. Поэтому все чаще предпринимаются попытки внедрить светодиодные светильники в системы освещения улиц, пешеходных зон, площадей и других территорий. Чаще всего такие установки появляются в местах, являющихся визитной карточкой города, поэтому такие светильники отличаются ультра-современным дизайном.

Бульвар Рива (Сплит, Хорватия)

Примером одного из первых практических применений таких установок является освещение известного приморского бульвара Рива в Сплите (Хорватия), пущенное в эксплуатацию в мае 2007 года. Сплит – это популярный курорт на берегу Адриатического моря, который ежегодно посещают миллионы туристов. Бульвар Рива – это центральная точка города, где проходят различные культурные и развлекательные мероприятия. Проектировщики стремились создать здесь особое место встречи, имеющее специфический дух и сохраняющее местное своеобразие. Суть такой атмосферы заключалась в том, чтобы передать оригинальное освещение.

Светодиодное освещение бульвара Рива в Сплите (Хорватия)

Архитектурная студия, разработавшая проект обновления бульвара, использовала в нем светильники на базе светодиодной технологии, со следующими параметрами:

минимальная средняя освещенность на уровне 15 люкс;
приятная цветовая температура 3000 К;
возможность динамического управления освещением;
современный стильный дизайн

Разработчиком проекта была бельгийская компания Schreder. Ширина бульвара составляла 8 метров, а расстояние между светильниками могло составлять 19,5 м. Для таких условий были спроектированы специальные светильники AZO, оснащенные 180 светодиодами высокой мощности, излучающими белый свет с цветовой температурой 3000 К. Были использованы современные мощные светодиоды американской компании Cree со светоотдачей 55 лм/Вт и тепло-белым излучением. Для получения максимальной равномерности освещения в каждом светильнике было установлено 45 отдельных модулей, состоящих из 4 светодиодов. Предусмотрена возможность индивидуального изменения положения каждого модуля, благодаря чему достигается высокая точность направления света. Степень защиты светильника составила IP67.

Осветительная система, установленная в Сплите, обеспечивает среднюю освещенность 32 лк при равномерности 40%. Система предусматривает возможность динамического изменения освещения на базе протокола DALI, благодаря группировке модулей каждого светильника в три линии. Такое решение обеспечило возможность изменения световой среды в соответствии с текущими потребностями и получения интересных световых эффектов.

Энн Арбор, Мичиган, США

В конце 2007 года в американском городе Энн Арбор, штат Мичиган, была начата реализация проекта замены около 1400 уличных светильников на новые, использующие светодиодную технологию. В рамках проведенной ранее пилотажной программы в городе были установлены шарообразные светильники серии New Westminster компании Lumecon, оснащенные светодиодными панелями компании Relume Technologies со светодиодами XLamp®LED компании Cree. Новые светильники со светодиодами мощностью 48 Вт и с ожидаемым сроком службы 10 лет пришли на смену старым светильникам мощностью 100 Вт со сроком службы 2 года. В рамках основного проекта были также установлены уличные фонари Halophane. Эти светильники, оснащенные светодиодами мощностью от 50 до 80 Вт, пришли на смену светильникам с металлогалогенными и натриевыми лампами мощностью до 250 Вт.

Светодиодные светильники, применяемые в США

Ожидаемым результатом этого проекта должно стать сокращение на 50% потребления электроэнергии для нужд уличного освещения, а также снижение выброса парниковых газов на 2200 тонн (СО2) в год, что было бы сравнимо по эффекту с исчезновением с городских улиц 400 автомобилей на целый год. Предполагается также, что преимущества такого освещения для города будут состоять в:

сокращении расходов на техническое обслуживание осветительной системы благодаря долговечности светодиодов;
увеличении безопасности горожан благодаря стабильному, без отключений, освещению улиц в ночное время;
возможности постепенного затемнения;
максимальном уровне интенсивности освещения сразу после включения и сразу после отключения напряжения питания;
отсутствии наобходимости перекрытия движения во время работ по техническому обслуживанию.

Важным преимуществом является также сокращение светового загрязнения окружающей среды благодаря направленному характеру излучения светодиодов. Ожидаемый период окупаемости инвестиции составляет 3,3 года.
Подобные программы были внедрены в городах Анкоредж на Аляске и в Уэлланд, Онтарио.

Эде, Нидерланды

Одной из первых практических попыток применения светодиодов для наружного освещения на общественных территориях был пилотажный проект в нидерландском городе Эде. В проекте были использованы светильники Equinox компании Philips, отличающиеся современным дизайном. Три таких светильника установлены на улице Haasbergerweg, а один в парке Edendreef.

Светильники EQUINOX компании Philips в городе Эде (Нидерланды)

Светильники Equinox оснащены 6 мощными белыми светодиодами Luxeon III со световым потоком 65 лм и 12 янтарными светодиодами Luxeon I со световым потоком 35 лм. Световой пучок нужной направленности формируется с помощью новых коллимационных оптических элементов «Meniscus». Благодаря этому получен тепло-белый свет с цветовой температурой от 2700 К до 4000 К.

Корпус светильника выполнен из анодированного алюминия. Светильник оснащен радиаторной системой, обеспечивающей поддержание температуры светодиодов на уровне не более 90°С и сокращение светового потока светодиодов не более чем на 30% после 50 000 часов эксплуатации. Специальная электронная система регулирует световой поток светодиодов обоих цветов таким образом, чтобы поддерживать постоянную цветовую температуру суммарного излучения в зависимости от рабочей температуры светодиодов.

Учитывая долговечность светодиодов, срок службы которых составляет около 50 000 часов, ожидается, что светильники Equinox будут работать не менее 12 лет, т.е. в четыре раза дольше, чем традиционные светильники с разрядными источниками света. Хотя стоимость светодиодных светильников в два раза выше стоимости традиционных осветительных установок, их долговечность, в 4 раза превышающая традиционные, компенсирует стоимость инвестиции блогодаря экономии электроэнергии.

Светодиоды на польских дорогах

Одной из первых польских экспериментальных светодиодных конструкций был наружный светильник Ecoled, представленный Институтом электротехники в Мендзылесе под Варшавой еще в 2005 году. В последнее время светильники со светодиодными источниками света появились также и на польских дорогах. Конечно, их трудно назвать уличными фонарями, но стоит отметить этот первый практический опыт. Эти светильники установлены на дорожных пешеходных переходах в таких местах, куда трудно, невозможно или экономически невыгодно подводить электричество. Эти светильники питаются от специальных фотовольтажных систем, оснащенные модулями PV и небольшими ветровыми турбинами. Вырабатываемая в течение дня в результате преобразования солнечного света и энергии ветра электроэнергия сохраняется в батареях аккумуляторов и используется для освещения пешеходного перехода, расположенного вне зоны застройки. Используемые на сегодняшний день светильники оснащены матрицами. выполненными из светодиодов низкой мощности. Согласно информации производителей, в пасмурные дни, когда зарядка аккумуляторов незначительна, лампы такого типа могут работать в течение 4 суток по 12 часов в день.

Такие системы установлены на пешеходных переходах:

при выезде из Варшавы по дороге Е67 в направлении Белостока, на границе гмины Радзымин;
при выезде из Пултуска по дороге 61 в направлении Аугустова на перекрестке с дорогой 57 в направлении Макова Мазовецкого.

Уже сегодня можно предполагать, что в ближайшие годы или даже месяцы светодиодное освещение будет все чаще появляться на улицах польских городов.

Светодиоды-нелегалы в России

Уже сегодня в РФ выполнено бесчисленное множество частных и дизайнерских проектов светодиодного освещения квартир и домов, а также коммерческих объектов и даже можно говорить о возникновении устойчивого государственного спроса: Представительство Президента РФ в Санкт-Петербурге, Благовещенский мост в Москве, праздничная подсветка Тучкова, Благовещенского, Кантемировского и Литейного мостов в Санкт-Петербурге. Несмотря на это, в России светодиодная индустрия переживает наиболее болезненный этап. Желание «шагать в ногу со временем» спотыкается о камень несовершенной законодательной базы. Стоит отметить инициативу ОАО «РЖД» по внедрению современных светодиодных технологий и комментарий куратора проекта. По словам Андрея Гараничева, куратора программы внедрения светодиодной техники в ОАО «РЖД», «…на восьми железнодорожных составах мы опробовали новую светодиодную технологию, в том числе и для того, чтобы показать ее нашим пассажирам. Однако мы прекрасно понимаем, что в силу отсутствия нормативной базы, такая практика полузаконна». Многие отечественные специалисты сходятся во мнении, что срок окупаемости внедренных светодиодных технологий пока еще слишком велик и зачастую достигает 12-15 лет.

Обсудить на форуме

Распечатать статью

Подписка

Популярные статьи

Светодиодные технологии: практика и перспективы