CC BY
28
УДК 628.984
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ БЕЛЫХ СВЕТОДИОДОВ
Т. Н. САВКОВА, А. И. КРАВЧЕНКО, Ю. Н. КОЛЕСНИК, Г. И. СЕЛИВЕРСТОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Приведен обзор свойств высокоэффективных светодиодов нового поколения, осветительных устройств на их основе и перспективы широкого их применения в современных системах освещения.
Ключевые слова: источники света, светодиод, светоотдача, светодиодное освещение.
CURRENT STATE AND DEVELOPMENT PROSPECTS LIGHTING DEVICES BASED ON WHITE LEDS
T. N. SAVKOVA, A. I. KRAVCHENKO, U. N. KOLESNIK, G. I. SELIVERSTOV
Educational Institution "Sukhoi State Technical University of Gomel", the Republic of Belarus
An overview of the properties of new generation high-efficiency LEDs, lighting devices based on these properties and the prospects for their widespread use in modern lighting systems is given.
Keywords: light source, LED, light output, LED lighting.
Введение
Рациональное и экономное расходование всех видов топливно-энергетических ресурсов, в том числе и электрической энергии (ЭЭ), снижение их потерь является актуальной задачей на сегодняшний день. Жесткий контроль со стороны государства за рациональным расходованием всех видов топливно-энергетических ресурсов [1], [2] определяется тем, что Республика Беларусь импортирует более 80 % всех энергоресурсов при мировых ценах на них. В этих условиях задача эффективного использования ЭЭ в различных отраслях промышленности приобретает особую важность.
Электрическое освещение в жизни человека играет огромную роль. Значимость его определяется тем, что при правильном выполнении осветительной установки электрическое освещение способствует повышению производительности труда, улучшению качества выпускаемой продукции, уменьшению количества аварий и случаев травматизма, снижает утомляемость рабочих; обеспечивает значительную работоспособность и создает нормальное эстетическое, физиологическое и психологическое воздействие на человека.
Гармонично реализованный светотехнический проект должен не только обеспечить освещение, удовлетворяющее нормируемым показателям, но и создать комфортные и безопасные условия, соответствовать выбранным направлениям эстетики и отвечать современным подходам к энергоэффективности осветительной установки (ОУ).
Эффективной следует считать такую ОУ, которая создает высококачественное освещение и сохраняет свои характеристики на протяжении длительной работы при
наименьших капитальных и эксплуатационных затратах, в том числе при минимальном энергопотреблении.
Целью работы является поиск путей повышения эффективности осветительных установок на основе белых светодиодов.
Основная часть
Светодиодные светильники зарекомендовали себя как высокоэффективные, компактные, энергосберегающие и безопасные по отношению к окружающей среде источники света. Это в ближайшем будущем вполне может гарантировать им лидирующие позиции на рынке освещения. Благодаря целому ряду преимуществ системы светодиодного освещения по праву признаны доминирующими среди всех существующих.
К настоящему времени разработаны и выпускаются в промышленных масштабах светодиоды, обладающие следующими положительными характеристиками:
- длительный срок службы;
- надежность, несоизмеримо большая, чем у известных источников света;
- полное отсутствие ртути;
- высокая световая отдача;
- отсутствие пускорегулирующей аппаратуры, обеспечение последовательного и параллельного соединения без выравнивающих сопротивлений, что предельно упрощает их применение;
- значительная устойчивость к механическим воздействиям и работоспособность в широком интервале температур (от -55 до +100 °С);
- малое потребление энергии и тепловыделение;
- взрывобезопасность и безопасность при прикосновении;
- высокое быстродействие.
По сведениям «Лайтинг Бизнес Консалтинг», в Республике Беларусь, как и в Российской Федерации, компактные люминесцентные, галогенные, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы будут фактически выведены из обращения. Однако в Беларуси, в отличие от рынка России (39 %), доминирующую позицию будут занимать светодиодные лампы, их доля на данный момент составляет около 86 % [3].
Управление энергетической информации (Е1А) США, которое оценивает важность светодиодного освещения в снижении энергопотребления, прогнозирует уменьшение расходов на энергию к 2030 г. почти в два раза. Анализ показывает, что доля светодиодного освещения по отношению к объему продаж на общем рынке освещения к 2030 г. достигнет 74 %. Благодаря внедрению ЬЕБ-технологий, к 2030 г. ежегодная экономия энергии на освещение составит около 297 млрд кВт/ч [4].
Развитие рынка общего освещения обусловлено двумя основными факторами: первый - стремительный рост инвестиций в строительство в развивающихся странах; второй - все большее внедрение дорогих технологий в освещение, включая производство светодиодов. Существует огромный потенциал энергосбережения в коммерческом (37 %) и жилищном (34 %) секторах от общей экономии энергии. Следующим по величине экономии энергии является сектор наружного освещения -25 %, в промышленном секторе он составит 4 % [3].
Разбивка прогнозируемых сбережений в 2030 г. (рис. 1) показывает, что замена линейных люминесцентных ламп в коммерческой отрасли, металлогалогенных ламп в уличном освещении и ламп накаливания в жилых помещениях является одной из самых значительных возможностей экономии энергии посредством применения ЬЕБ-технологий.
Рис. 1. Прогнозируемые сбережения в 2030 г. по типам ламп по потребителям [4]
Компания Nichia - лидер в области производства светодиодов высокой яркости -объявила о выпуске настраиваемого светодиода средней мощности белого цвета два в одном с индексом цветопередачи 90, что позволит оптимизировать спектр излучения без использования дополнительных светодиодов в диапазоне от 2700 до 5000 К [5].
Качественные показатели белых светодиодов растут [6]-[9]. По расчетам специалистов в области производства мощных белых светодиодов теоретический максимум эффективности составляет 320 лм/Вт.
На сегодняшний день доступны в версии Photo Red (660 нм) с революционной эффективностью светодиоды XLamp ® XP-G3 компании Cree с максимальной светоотдачей 199 лм/Вт, которые можно использовать для освещения дорог и в переносных светильниках для садоводческих хозяйств [10]. Светодиоды серии J 2835 Fidelity с высоким индексом цветопередачи обладают большой эффективностью, равной 178 лм/Вт.
Линейные светильники серии LXB производства Cree позволяют работать при температурах до +55 °С при светоотдаче 160 лм/Вт [11]. В марте 2017 г. компания Cree объявила о выходе на рынок светодиодов второго поколения большой мощности семейства XLamp® XHP70.2. Новые светодиоды имеют световой поток на 9 % больше, чем светодиоды первого поколения XHP70. При этом светоотдача у них увеличилась на 18 % [12]. Компания Lumieds в сентябре 2019 г. представила эффективный белый светодиод LUXEON 3030 HE Plus, светоотдача которого достигает 210 лм/Вт при цветовой температуре 4000 К и индексе цветопередачи 80 CRI [13]. Светодиод Oslon Square от компании Osram пользуется популярностью у производителей светильников, так как обладает высокой световой эффективностью при токе 350 мА, которая составляет 149 лм/Вт, и значительно дешевле. Светодиод Oslon Square бину-ется при токе 700 мА с типичным падением напряжения 3,1 В. Эффективный рабочий ток - от 200 до 1500 мА. Тепловое сопротивление составляет 3,8 К/Вт [14].
Компания Seoul Semiconductor предлагает сверхмощные светодиоды в бескорпусном исполнении SZ8-Y19-W0-C7 (W3C1H) и SZ8-Y19-W0-C7 (W3CG). Их мощность при минимальном токе 1,5 А составляет 4,5 Вт, а при максимальном токе 2,0 А -6,0 Вт. Это соответствует максимальной светоотдаче, равной 149 лм/Вт. Светодиоды
высокой мощности используются для уличного, автомобильного освещения, а также в коммерческой и промышленной сферах. Светодиоды размером с кристалл излучают больше света в боковых направлениях, чем светодиоды в классических корпусах. Тем самым они улучшают распределение света в трубчатых лампах и светильниках и ослабляют эффект световых пятен [15].
Светодиодная продукция третьего поколения серии ЕВ Series компании Bridgelux достигает светоотдачи 200 лм/Вт с новыми опциями CCT 2700-5000 К, высоким индексом цветопередачи, равным 90 CRI. Светодиодные матрицы представляют собой тонкие пластины линейной и квадратной форм, на которых расположены светодиоды [16].
Проблемы высокой габаритной яркости точечных белых светодиодов, выгорания люминофора и небольшого угла светораспределения производители светодиодов компании «НЕПЕС РУС» разрешили, создав новую технологию Cap LED [16]. Сочетание голубого светодиода и фосфорного колпачка в форме купола позволило получить ряд преимуществ:
- люминофор не нагревается, а это значительно увеличивает срок службы и уменьшает дрейф светотехнических и калориметрических характеристик светильника;
- световое излучение обладает спектральными характеристиками, приближенными к спектру тепловых источников света;
- нет необходимости в рассеивании света, а значит нет дополнительных потерь светового потока и возможен безбликовый дизайн светодиодного светильника.
Российский ученый Карл Сабельфельд совместно с коллегами из Германии исследовал свойства светодиодов на основе нитрида галлия и построил математическую модель. Эта модель объясняет, почему лишь малая часть затраченной ЭЭ переходит в световую, что в будущем поможет создать светодиоды с более высоким КПД, а также послужит толчком к более детальному экспериментальному поиску материалов для светодиодов с более высокой квантовой эффективностью [17].
Компания Ledvance представила подвесной автономный светильник с краевым освещением с прямым (70 %) и непрямым (30 %) светом Panel 1200 Direct / Indirect для идеального рабочего сбалансированного освещения [18]. Благодаря микропризматическому световоду с высокой пропускной способностью из ПММА обеспечивается равномерное и контролируемое распределение света и минимальное значение отраженной блескости (UGR < 19) в соответствии с нормой UNI-EN 12464-1. За счет хорошей световой отдачи до 110 лм/Вт и срока службы до 80000 ч светильники этой серии обладают низкими эксплуатационными расходами.
Производители светодиодных светильников стали больше уделять внимания внешнему их виду и качеству. Увеличивая интенсивность отдельных групп свето-диодов, можно создавать необходимое в данное время суток освещение. Более холодным светом светодиодный светильник будет светиться днем, а вечером и утром -более теплым, соответствующим оттенку восхода и заката солнца. Кроме светильников с оптико-акустическими сенсорами, существуют осветительные приборы с беспроводным управлением, позволяющим задавать оптимальные алгоритмы работы и энергопотребления и светодиодные осветительные системы, обеспечивающие широкополосное интернет-соединение посредством световых волн [8].
Заключение
Таким образом, осветительные устройства на основе белых светодиодов продолжают совершенствоваться в направлении световых и эксплуатационных характеристик, расширения функциональных и конструктивных возможностей. Дальнейшее
повышение энергоэффективности светодиодов приведет к снижению их тепловыделения, увеличению срока службы и производству высоконадежных осветительных
устройств.
Литература
1. Экономия и бережливость - главные факторы экономической безопасности государства : Директива Президента Респ. Беларусь № 3 от 14.06.2007 г. - Минск, 2007.
2. Национальный правовой Интернет-портал Республики Беларусь. - Минск, 2003-2007. - Режим доступа: http://pravo.by. - Дата доступа: 20.06.2012.
3. Анализ технологического потенциала светотехнической промышленности в Российской // docplayer//. - Режим доступа: https://docplayer.ru/46534062-Ana-liz-tehnologicheskogo-potenciala-svetotehnicheskoy-promyshlennosti-v-rossiyskoy-fede-racii.html. - Дата доступа: 08.07.2020.
4. Energy Savings Potential of Solid-State Lighting in General Illumination Applications 2010 to 2030. - Режим доступа: https://www1.eere.energy.gov/ buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_energy-savings-report_10-30.pdf. - Дата доступа: 15.06.2020.
5. Nichia выпускает первый в мире настраиваемый светодиод LES со средней мощностью 3030 белого цвета 2-в-1! 2019. - Режим доступа: https://www.nichia.co.jp/ru/about_nichia/2019/2019_091901.html. - Дата доступа: 25.09.2019.
6. Радомский, Н. В. Сравнительный анализ продукции ведущих производителей белых светодиодов / Н. В. Радомский // Полупроводниковая светотехника. - 2010. -№ 4. - С. 14-20.
7. Молодцов, В. Линейка светодиодов SVETLED / В. Молодцов // Полупроводниковая светотехника. - 2010. - № 6. - С. 16-18.
8. Современное состояние, тенденции и перспективы развития светодиодов для освещения / С. И. Лишик [и др.] // Светотехника. - 2017. - № 1. - С. 9-17.
9. Тябляшкин, С. Д. Исследование современного состояния и возможности использования светоизлучающих диодов в технике освещения / С. Д. Тябляшкин, Л. В. Абрамова // Вестн. МГУ. - 2005. - № 3/4. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-sovremennogo-sostoyaniya-i-vozmozhnos-tispolzovaniya-svetoizluchayuschih-diodov-v-tehnike-osvescheniya. - Дата доступа: 25.09.2019.
10. XLamp XP-G3 (англ.). - Режим доступа: https:// www.cree.com. - Дата доступа: 01.10.2019.
11. Cree расширяет ассортимент промышленного освещения новыми линейными светильниками High-Bay 2018. - Режим доступа: https:// https://www.cree.com/news-events/news/article/cree-expands-industrial-lighting-portfolio-with-new-linear-high-bay-luminaires. - Дата доступа: 25.09.2019.
12. Макаренко, В. Светодиоды большой мощности второго поколения XLAMP® XHP70.2 / В. Макаренко // Оптоэлектрон. устройства. - 2017. - № 1. - С. 40-44.
13. Lumileds обеспечивает высочайшую эффективность 3V 3030 LED для сфер и панельных светильников. - Режим доступа: https://www.lumileds.com/news/353/50/ Lumileds-Delivers-Highest-Efficacy-3V-3030-LED-for-Troffers-and-Panel-Lights. -Дата доступа: 25.09.2019.
14. Потемкин, А. Светодиоды OSRAM — лидеры по созданию светодиодного освещения / А. Потемкин // CHIP NEWS Украина. - 2012. - № 7. - С. 54-57.
15. Novelty from Seoul Semiconductor - new Generation of WICOP. - Режим доступа: https://www.sea.com.ua/en/news/novelty-from-seoul-semiconductor-new- generation-wicop-from-stock-in-kiev//. - Дата доступа: 01.10.2019.
16. LED professional - технология светодиодного освещения, журнал Application Глобальный информационный центр по технологиям освещения. Системы и приложения. Светильники. Внутренние Приложения. Офисное освещение. 01 октября 2019 г. Ledvance объявляет Panel 1200 Direct / Indirect для идеального рабочего баланса света 2019. - Режим доступа: https://www.led-professional.com/project_news/lamps-lumi-naires/ledvance-announces-panel-1200-direct-indirect-for-the-perfect-work-light-balance. -Дата доступа: 01.10.2019.
17. Куршев, А. В России запущено производство светодиодных светильников по уникальной технологии удаленного люминофора Cap LED / А. Куршев // Полупроводниковая светотехника. - 2014. - № 1. - С. 28-31.
18. Что мешает светодиоду светить ярче 2017. - Режим доступа: https://polit.ru/article/2017/12/05/ps_rnf/. - Дата доступа: 01.10.2019.
Получено 10.07.2020 г.
