CC BY
107
УДК 621.321 А.В. Крымов, В.Д. Никитин,
Я.А. Кунгс, В.Р. Завей-Борода
СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
В статье проанализированы утверждения в печати о преимуществах светодиодов. Оценена целесообразность применения светодиодов в наружных осветительных установках. Рассчитана стоимость единицы световой энергии для мощных отечественных белых светодиодов и компании Cree. Предложена формула для оценки стоимости единицы световой энергии в функции тарифа.
Ключевые слова: источники света, характеристики светодиодов, тариф на электроэнергию, стоимость единицы световой энергии.
A.V. Krymov, V.D. Nikitin, Ya.A. Kungs, V.R. Zavey-Boroda
COMPARISON OF THE CHARACTERISTICS OF SEMI-CONDUCTOR AND TRADITIONAL LIGHT SOURCES
Press statements about the advantages of light-emitting diodes are analyzed in the article. The expediency of the light-emitting diodes application in external lighting installations is estimated. Cost of the light energy unit for the powerful domestic white light-emitting diodes and Cree company diodes is calculated. The formula for cost estimation of the light energy unit as a tariff is offered.
Key words: light sources, light-emitting diode characteristics, electric power tariff, light energy unit cost.
1. Полупроводниковые источники света
Светодиодная промышленность, как отрасль светотехники, быстро развивается и обладает большими перспективами. Тенденция развития световой отдачи светодиодов (СД) на фоне ЛЛ и МГЛ представлена в [1]. В табл. 1 приведены значения световой отдачи П) и срока службы (т) для различных источников света (ИС); данные для СД по [2] - «проблемные».
Таблица 1
Традиционные ИС и СД
Показатель Лампа
ЛОН ГЛН КЛЛ ЛЛЛ ДРЛ МГЛ ДНаТ ДКсТ СД
qv, лм/Вт 8-18 16-22 50-70 60-100 40-60 60-100 90-130 20-45 >100
т, тыс. ч 1 2 8-12 12-18 12-20 10-15 12-18 0,8-1,6 До 100
qv-r, клмч/Вт 8-18 32-44 400-840 720-1800 480-1200 600-1500 1080-2340 16-72 До 10000
На рынке СД наряду с изделиями известных на мировом уровне производителей появилось много активно рекламируемой продукции фирм, созданных недавно. В табл. 2 представлен анализ (на основе [3]) утверждений, касающихся достоинств СД: в квадратных скобках - комментарии; характеристику составляют пункты 1.1-1.3; в пунктах 2.1-2.5 оцениваются экономические и иные параметры. Авторы признают спорность некоторых критических оценок.
Таблица 2
Оценка материалов в печати по освещению твердотельными ИС (фрагмент)
Заявленный показатель Ситуация в действительности
1. Характеристика (основные показатели) СД
1.1. СД опередили другие ИС по - превышает 100 лм/Вт. И с каждым годом она растет* У коммерчески доступных СД белого света п существенно ниже, например, 30 лм/Вт. В отношении быстрого прогресса утверждение справедливо
1.2. Срок службы 7=80-100 тыс. ч. [часто в форме: «гарантия срока службы - 20 лет»] Эти цифры не подтверждены практикой: опыт эксплуатации световых приборов (СП) с СД невелик. Более осторожная оценка - 50 тыс. ч
1.3. Устойчивость к перепадам напряжения [не уточняют: колебаниям, отклонениям?] Зависит от качества блока питания. Сами СД очень чувствительны к качеству питания и выходят из строя при незначительных +и (и>ином)
2. Экономические** и другие параметры СД
2.1. Экономия денежных средств с точки зрения энергопотребления С рассматриваемыми СП экономию средств получить невозможно
2.2. В уличном освещении экономия электроэнергии 50 % по сравнению с натриевыми лампами высокого давления Данные СД-светильники не способны обеспечить заявленную экономию электроэнергии. Они (пока) энергетически затратнее современных СП с РЛ [табл. 3]
2.3. Срок окупаемости 3-4 года Утверждение не имеет оснований
2.4. Универсальность применения в наружных осветительных установках СП не обладает ни модульной конструкцией, ни адаптивной оптикой, необходимыми для универсальности
2.5. Реальная поддержка программ правительства по внедрению нанотехнологий и по энергосбережению Скорее верно обратное утверждение: бездумное внедрение подобных СД-светильников стало бы дискредитацией государственных программ по энерго- и ресурсосбережению
* Умалчивается, что обычно образцы лабораторные, а излучение часто (почти) монохроматическое.
** Наличие трех (по сути близких) оценок экономичности свидетельствует, что достойного критерия не оказалось.
2. Анализ использования светодиодов в уличном и промышленном освещении, а также для
освещения жилья
СП с СД и традиционными ИС для уличного и производственного освещения сравниваются в [3]. Хотя и ведутся дискуссии о применении мощных СД в СП общего освещения, однако применение СД не носит массового характера. Конкретные примеры внедрения СД содержатся в табл. 3.
Таблица 3
Сравнение ОУ с полупроводниковыми (1,3) и разрядными (2,4) ИС в уличном
и промышленном освещении
В уличном освещении СД-светильник LZ-40S, Р=6о Вт, Ф=6 клм* сравнивается со СП SGP070 с Cosmopolis CPO P=60 Вт, Ф=6,8 клм* В цехе длиной 60 м, шириной 30 м, h=8 м при E=200 лк, Кэ=1,5 сравниваются СД-светильник LZ-40U и СП MPK110WB с 1xHPI-P400W-BU/745 Р=400 Вт
Параметр ОУ1 с СД ОУ2 с МГЛ Параметр ОУ3 с СД ОУ4 с МГЛ
Высота/шаг, м 9,0/24 8,0/40 Число СП 168 28
Lave, КДм-2 0,48 0,53 Рис(Рис+пра), Вт 90 400 (429)
Lminl Lave 0,45 0,43 Ф/ТФ, клм 7,143/1200* 32,5/910*
TI, % 2,1 7,3 ТР, кВт 15,12 12,01
Eh ave, ЛК 5,96 6,02 Emin/ EavJ Emax 124/228/280 114/207/235
P, Вгм-1 2,5 1,5 Emin. Emax 0,44 0,49
Ф, клм^м-1 0,25 0,17 W, Вт/м2 8,35 6,22 (6,67)
Недостатки расчета - различия в световом поле, обусловленные исходными данными
ОУ 1 и ОУ2 . Efá, Lavef£Lave2, Lmin1^Lmin2 I 1 ОУ3 и ОУ4. Emin3^Emin4, Eave 3^Eave4, Emax3^Emax4
* Данные о min, ave и max значениях яркости и освещенности без специальных процедур, обеспечивающих корректность сравнения, обесцениваются ввиду несовпадения исходных значений светового потока (6Ф6Д 1200Ф9Щ.
Оценим целесообразность использования СД в жилом секторе. В материалах [4] утверждается: при замене светильника НПО-22 (лампа накаливания (ЛН) Г220-100, Ф=1350 лм, ..., т=1000 ч) на СД-светильник ДПБ42 (10СД х 1Вт, Ф=700 лм, ..., т >50 тыс. ч) только на электроэнергии экономится в каждой светоточке 630 руб/год. Но результаты расчета некорректны, поскольку носят случайный, характер (а если взять ЛН иной мощности: Р=25 - 40 - 60 - 75 Вт?). Объективную экономическую характеристику ИС дает методика [5], позволяющая адекватно оценить сравниваемые лампы, для чего ИС приводятся (введением гипотетического значения мощности [5] или иным образом) к равным значениям светового потока (в материалах [4] условие Фис1 = Фис2 не соблюдалось; 1350:700—2). В данном случае предлагаем ввести в расчеты поправочные коэффициенты К, /=1,2.5 для корректировки мощности и стоимости.
При сравнении ЛН с СД:
К^#=1,4-1,35-1—1,04 для ЛН;
К=2 для СД ввиду ФЛН=1350 лм—2700 лм (1400 лм - поток двух СД-светильников.
При сравнении ЛЛ с СД:
К3=2 для Слл (двухламповый СП) и К^=2,5 для Рлл (учтен Кпра = 1,25);
К5=3 для СД ввиду Ф2лл=2^1050 лм=3Фсд=2100 лм. Отметим «шероховатость»: прибор ЛПО2х18, но в пункте 2 табл. 1 [4] указана Р=2х20Вт.
Значения параметров и поправочных коэффициентов к ним, расчеты показателей представлены в табл. 4 при значениях тарифа ц=1,4 - 2,0 - 3,0 руб/кВтч.
Таблица 4
Исходные значения параметров, корректирующие коэффициенты к ним и сравнение экономических показателей ЛН и СД (результаты в скобках - ЛЛ и СД)
Параметры в формулах (1)-(3) Стоимость лампы СП, р. т, тыс.ч Рл, Вт
Значения для: ЛН / ЛЛ // СД* 6,76 / 24 // (0,3-1500 = 450) 1 / 12 // 50 100 / 20(18) // (10х1)
Поправочные коэффициенты К ЛН и СД K1=1,04 / - // K2=2 Коэффициенты не вводятся K1=1,04 / - // K2=2
ЛЛ и СД - / K3=2 // K5=3 - / K4=2,5 // K5=3
Показатели 1, 2, 3 и формулы (3)-(5)** для оценки значений Результаты при q, р/кВгч, равном
1,4 2,0 3,0
1. Часовой стоимости ОУ Ci/ti + Р$/cos^ - tanai, (1) ищется at - min , либо tan at - min 0,153>0,046 0,156>0,069 0,215>0,058 0,221>0,087 0,319>0,078 0,330>0,117
2. Времени (тыс.ч) выравнивания затрат на ОУ1 и ОУ2 (2) 7,2 (12,8) 5,1 (9) 3,5 (6,1)
3. Времени (тыс.ч) достижения ОУ1 полного уровня стоимости ОУ2 tn = С2 + P2t2Cl sec^2 3£i • ¿i”1 + Pfl sec^j 1 (3) 15,1 (22,1) 13,5 (19,6) 12,2 (17,7)
* По экспертной оценке авторов: стоимость самих СД не превышает 30 % от 1500 руб. - стоимости готового изделия («в сборе»); полагаем, что производитель закладывает очень высокую норму прибыли на свои комплектующие.
** В формулах (1)-(3) подстрочный индекс 1 относится к ЛН (и ЛЛ), индекс 2 - к СД.
3. Оценка экономических показателей отечественных светодиодов
Расчет стоимости единицы световой энергии (ЕСЭ) ви (в рублях на люмен^секунду или кратных величинах) представлен, например, в [6-8], и выполняется по формуле:
012=?'17,:‘+С„-С<-О, (4)
где ц - тариф на электроэнергию (руб/кВт ч); Пи - световая отдача ИС (лм/Вт); Сис - стоимость ИС (руб.); Ф - поток ИС (клм); т - срок службы ИС (ч).
Расчеты для ряда отечественных СД представлены в табл. 5, результаты даны на рис. 1; для сравнения на рис. 2 приведены значения в12 для ДНаТ и ДРИ (линии 1, 2). Из анализа рис. 1-2 вытекают следствия 1 и 2.
Таблица 5
Расчет значений G12 для «мощных» белых СД отечественного производства ^ = 1,80 руб./кВтч)
Фирма, адрес (срок службы т) Белые светодиоды Р, Вт Ф, лм т СО л Сис, руб. Сі2, руб./Млм^ч
ООО «КТЛ», http://www.bright-leds.ru/page-power_led.html (т=35 тыс.ч) ^Н^080-21 1 110 110 138,2 52
^Н^080-23 3 195 65 237,6 62,5
^Н^080-25 5 300 60 354,8 63,8
^Н-1522-7 7 460 65,7 492 58
ООО «Микроэлектроника», http://www.microelectronica.ru/hb /1тЬ leds powerw.html (т=50 тыс. ч) E12PW6C 1 50 50 147 94,8
S12N3W6C 3 120 40 230 93,3
5VAM12DW6C 5 280 56 658 79
10VAL12HW6C 10 450 45 1055 1) 86,9
20VAL12HW6C 20 2) 930 46,5 2015 82
Примечание. Реально: 1) стоимость 1219 руб.; 2) коммерческое предложение отсутствует.
Следствие 1. Для отечественных СД, в отличие от ДНаТ и ДРИ, четкой зависимости в^в^Р)
нет, и вместо линий, как на рис. 2, здесь «облако то-
чек», что обусловлено нестабильностью технологического процесса (и, как следствие, характеристик СД) и особенно произволом в ценообразовании.
Аналогичная ситуация, но с КЛЛ, была пред-Рис. 1. Зависимость стоимости ЕСЭ метом исследования в [9]: «сделав товар "модным”»,
от мощности для отечественных СД_______производители стали ''задирать'1 отпускные цены.
Следствие 2. При высоких значениях комплексного показателя ЕкЛ2 (где Е - освещенность, к -коэффициент запаса, Л - расчетная высота), с учетом Осд>Сднат,мгл, будут особенно ощутимы преимущества "тяжелых”(с большими значениями {Р, п} =>
Ф) ИС; в настоящее время СД для "большого освещения” (при высоких Е и Л) пока экономически неце-
лесообразны.
Но в пользу СД могут быть иные доводы: эксплуатационные, по %, Кп, ...; следует учитывать и стремительный (относительно других ИС) прогресс СД.
Поскольку в [4] дается суммарное значение стоимости СД и СП, предлагаем в этом случае модифицированную формулу:
о;2 =9-с'+с,,-<?>-0+с,, (5)
где в третьем слагаемом Сп - стоимость СП; Ї - число часов работы ОУ в год; Т - срок службы СП (обычно 8 или 10 лет); стоимости ИС и СП Сис/Сп полагаем равными 0,3/0,7 от отпускной цены изделия. Фрагмент расчетов для трех значений ц представлен в табл. 6.
О 100 200 300 р5 Вт
Рис. 2. Зависимость стоимости ЕСЭ от мощности для ДНаТ и ДРИ [10-11]
о ■
■ ■
♦ ■
♦
♦ ООО «КТЛ» ■ ООО «Мгпфоэлектронгпса»
Р, Вт
Таблица 6
Расчет значений G,12 для ряда СП [4] при q=var, т=5 тыс. ч/год, T=8 лет (значения для СД ^=70 лм/Вт
и Ф=0,7 клм - проблемные)
Световой прибор Источник света Пу, лм/Вт Ф, клм Т, тыс. ч Стоимость изделий, руб. G'12, р/Млм^ч при q, руб./кВт-ч, равном
ИС СП 1,4 2,0 3,0
НПО-22 Г220-100 13,5 1,35 1 6,76 134 108,7 153,1 227,2
ЛП046-2х18 ЛБ20 42,4 2,12 12 2^24 271 34,9 49 72,6
ДПБ42 СД 10x1 70 0,7 50 450 1050 32,9 41,5 55,7
4. Оценка экономических показателей светодиодов фирмы Cree
Значения G12 для СД фирмы Cree даны в табл. 7 и на рис. 3; зависимость G12 от тарифа q = var дана на врезке рис. 3, штрихованные линии (2', 3' и 4') строились по (6). Стилевое единство табл. 7 нарушено ради компактности: строки 3-25 транспонированы (из столбцов) и жестко фрагментированы.
Таблица 7
Значения G12 для СД холодного белого света P=1 Вт (*P=4 Вт) фирмы Cree [12-13] (q=1,80 руб/кВт ч, г=50 тыс. ч), а также значения W0 для расчетов по формуле (6)
№ Светодиод qv, лм/Вт Ю С ? ^ 0 a Gq=i!s, руб/Млм^ч Wo, Вт\клм g, руб/Вт
1 XREWHT-L1-0000-00601 62 122,00 68,39 16,13 122
2 XREWHT-L1-0000-00701 62,2 126,00 69,45 16,08 126
Ю CN СО S :¡¿ О 1— О СД XREWH T-L1-0000-00... XRCWHT-L1 -0000-00.
801 901 A01 B01 C01 D01 301 401 501 601 701
G 57,10 54,84 52,40 51,97 50,60 53,46 75,14 68,96 61,60 57,50 54,02
W0 13,53 12,41 11,44 10,65 10,00 9,35 21,88 19,34 17,61 16,13 14,88
g 121 131 139 154 163 196 81,7 88,3 85 88,3 91,5
XRCWH! r-L1-0000-00... XPEWHT-L1 -0000-00. XPCWHT-L1-0000-00...
801 901 A01 A01 B01 C01 D01 E01 801 901 A01 B01
51,69 50,12 48,28 51,26 49,20 48,20 51,21 46,84 49,12 46,74 46,22 45,79
13,53 12,41 11,44 11,44 10,65 10,00 9,35 8,77 13,53 12,43 11,44 10,65
101 112 121 134 141 151 184 177 91,5 98 112 125
26 *MCE4WT-A2-0000-000K01 92,5 1) 562,00 49,84 2) [10,81:3> 140,5
27 *MCE4WT-A2-0000-000M01 107,5 4) 719,00 50,19 9,30 179,8
Примечание:1) Ф=370 лм;2) и3) будут использовано ниже;4) Ф=430 лм.
По известным базовым значениям стоимости ЕСЭ (в табл. 7 - для д=1,80 руб/кВт-ч) можно легко и быстро найти ее значение для любого тарифа на электроэнергию Сд=у (в обозначении в, нижние подстрочные индексы 12 опущены, но подразумеваются). Алгоритм использует заранее вычисленное значение Wo (мощности, необходимой для генерирования 1 клм):
Оч=у = Оч=1Л + Ж0 • Ад, (6)
где Wo - находится в табл. 7, а приращение тарифа Aq - как превышение над базовым (д=1,8) значением. Например, для СД *МСЕ4У\/Т...К01 при д=2,07 и 3,4 руб/кВт-ч получим:
- q=2Щ (Дд=2,07 - 1,8=0,27), >0-=Д + 10,81 ■ 0,27=52,76
- д=3,4 (Дд=3,4 - 1,8=16), 6^И49,84| +|10,81| ■ 16=67,14.
Рис. 3. Зависимость стоимости ЕСЭ от световой отдачи для СД фирмы Cree при q=1,80 руб./кВтч; на врезке сравнение значений Gi2 для СД XRC...01 при тарифе q=1,8 - 2,07 - 2,8 - 3,4 руб./кВтч:
линии 1 - (2 и 2') - (3 и 3) - (4 и 4').
Формула (6) 1) делает прогноз значений Gq совсем простым; 2) пригодна для любых ИС (не обязательно СД); 3) работоспособна ввиду совпадения линий 2 и 2', 3 и 3', 4 и 4'; 4) позволяет выполнить и ретроспективный анализ.
Хотя у некоторых СД Пу>100 лм/Вт, их широкому применению мешают экономические факторы, так как СД уступают: а) мощным ДНаТ и ДРИ - по значениям G12 (табл. 6-7; рис. 1; 3); б) ЛОН и ЛЛЛ - по отношению стоимости к мощности (руб./Вт) и к потребленной за срок службы энергии (руб/МДж).
Выводы
1. Показана несостоятельность ряда утверждений в печати о достоинствах светодиодов; их недостатки производители смягчают либо вообще не упоминают. Приводимые фирмами экономические расчеты не всегда корректны.
2. Рассчитана стоимость единицы световой энергии для ряда источников света. В "большом освещении” использовать светодиоды пока нецелесообразно, так как они уступают многим современным разрядным лампам. Светодиоды перспективны благодаря быстрому росту световой отдачи.
3. Предложена формула для оценки стоимости единицы световой энергии источников света (в частности, светодиодов) при любом тарифе на электроэнергию, если известна стоимость при базовом его значении.
Литература
1. Юнович А.Э. Современное состояние светодиодов и тенденции развития светодиодов и светодиодно-
го освещения // Светотехника. - 2007. - № 6. - С. 13-16.
2. Полищук А.Г. Новая серия светодиодов XR-E7090 компании Cree для общего освещения // Светотех-
ника. - 2007. - № 3. - С. 20-23.
3. Степанов В.Н. Комментарии по СД-светильникам производства компании «Церс Инжиниринг» [Элек-
тронный ресурс]. - режим доступа: http://forum.expertunion.ru/forum/showpost.php?p=7165&postcount=6.
- 31.08.2009.
4. Сравнение светодиодных светильников ДВБ32 с НПО-22 и ЛПО46: рекламный проспект Красноярского филиала ФГУП «ПО УОМЗ» [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.uomz.ru/index.php?page=products&pid=1002l0 - 31.08.2009.
5. Никитин В.Д., Завей-Борода В.Р. Энергосбережение в осветительных установках // Мат-лы докл. 10-й Всерос. науч.-техн. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - С. 322-326.
6. Никитин В.Д. Энергосбережение: оценка экономичности источников света // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: мат-лы междунар. науч.-техн. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2003.
- С. 297-299.
7. Матющенко А.А., Никитин В.Д. Сравнение экономических показателей ИС // Мат-лы 6-й междунар. светотехн. конф. (Калининград; Светлогорск, 19-21 сент. 2006 г.). - М., 2006. - С. 85-86.
8. Дорофеева Д.Ю., Трубач А.В., Никитин В.Д. Сравнение стоимости единицы световой энергии традиционных и полупроводниковых источников света // Сб. тез. докл. науч.-практ. конф. (13-я междунар. спец. выставка по светотехнике). - М.: ВИГМА, 2007. - С. 15-17.
9. Никитин В.Д., Шаламова Ю.С., Матющенко А.А. Динамика стоимости единицы световой энергии как критерий научно-технического прогресса // Энергетика и энергосбережение: прил. к «Вестнику КрасГАУ».
- Красноярск, 2005. - Вып. 3. - С. 45-49.
10. Прайс-лист «Сибавтоматика+» [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.sib-
a.ru/UserFile/File/prais150609sait.rar. - 31.08.2009.
11. Прайс-лист «Galad» [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.tdsvet.ru/files/galad_price.xls. -
31.08.2009.
12. Официальный дистрибьютор фирмы Cree в РФ "НЕОН-ЭК" [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.e-neon.ru/catalog/id/2059223. - 31.08.2009.
13. Компания «Золикс» [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.zolix.nj/Cree.1910.htiriL -
31.08.2009.
