Светодиодное наступление

26 Августа 2015

Почти два триллиона долларов - столько сэкономят Земле новые светодиоды за следующие 10 лет, при условии широкого их внедрения. В энергетических же единицах экономия выразится в 18,3 тераватт-часа. Сокращение выбросов углекислого газа в атмосферу за это «светодиодное» десятилетие составит 11 гигатонн, а потребления нефти -  почти миллиард баррелей. И 280 среднестатистических электростанций можно будет закрыть. В данной статье мы попытаемся на реальных примерах и фактах рассмотреть целесообразность применения светодиодных ламп в разрезе существующих норм освещенности.

 

Световая революция

 

Чего можно ожидать от полупроводниковых технологий в области энергетики и энергосбережения? Наиболее очевидная (но не единственная) перспектива — это альтернативный вид освещения, который должен в свое время занять место привычных нам ламп накаливания.

Поясним принцип действия различных осветительных приборов и рассмотрим эффективность преобразования энергии для каждого из них.

Обычная лампочка накаливания только 10% получаемой энергии излучает в виде полезного света, и то не белого, а желтого. Остальные 90% тратятся на нагрев. Почему же так низка эффективность и можно ли как-то это исправить?

Дело в том, что в такой лампочке, как известно, светится раскаленная спираль, а спектр свечения нагретого тела зависит в основном от его температуры. Наш глаз приспособился улавливать свет, излучаемый поверхностью Солнца, которая раскалена до 6000 градусов. Другими словами, солнечный свет по своему спектральному составу как раз оптимален для глаза. Нить накала в лампочке, конечно, имеет гораздо более низкую температуру, поэтому она светится совсем в другом спектральном диапазоне (инфракрасном), и только малая доля излучаемого лампочкой света приходится на видимую часть спектра.

Как же быть? Если источником света служит раскаленная нить, то единственный способ увеличить эффективность — это повышать температуру нити. Для этого колбу заполняют газом под высоким давлением, чтобы нить не испарялась при более высокой температуре, — получается галогенная лампа. Такие лампы используются в различных проекторах, в автомобильных фарах и т. п. Галогенная лампа излучает в видимом диапазоне до 15% затраченной мощности. Если же и такая эффективность нас не устраивает (а хочется 100%), то надо воспользоваться другими принципами излучения света. Здесь мы рассмотрим два принципиально иных источника света: сначала (вкратце) люминесцентные лампы, а потом — светодиоды.

Люминесцентные трубки светятся, когда в них загорается электрический разряд: в заполняющем трубку газе некоторое количество электронов отрывается от своих атомов и движется с ускорением в электрическом поле. Когда такой ускоренный электрон сталкивается с атомом, он отдает энергию в виде ультрафиолетового излучения. Трубка покрыта изнутри люминофором, который поглощает этот ультрафиолетовый свет и переизлучает его уже как видимый свет. С точки зрения КПД это уже гораздо лучше, потому что в принципе ничто не мешает собрать весь ультрафиолет и перевести его в видимый свет. А лампочки накаливания, наоборот, светят в основном инфракрасным светом, с которым уже ничего не сделаешь — он теряется, нагревая саму лампочку и окружающее пространство. Люминесцентные лампы примерно в 4 раза эффективнее ламп накаливания.

Но есть и более перспективный вариант — светодиоды. Это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED. Он состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы.

Светодиод излучает непосредственно видимый свет. Срок действия светодиода — несколько лет непрерывной работы. У него нет бьющейся стеклянной колбы, он безопасен и не содержит ртути и прочих вредных веществ, не перегорает при включении/выключении, не требует высоковольтного питания, он компактен и может быть встроен куда угодно, работает при любой окружающей температуре.

 

Свет и цвет

 

Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии. В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо - не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета. Эта проблема была решена в 90-е годы, и с тех пор уже можно говорить всерьез о замене традиционных источников света сверхъяркими светодиодами. Цветные светодиоды стали широко применяться для подсветки архитектурных сооружений, создания световых композиций, в ландшафтном дизайне. Здесь, помимо прочего, сыграли роль простота и безопасность монтирования этих источников света - их без проблем можно установить хоть под воду, хоть встроить в лед; а еще их можно сколь угодно часто включать и выключать, создавая динамические эффекты.

Перейдем теперь от цветного к белому свету, который, собственно, больше всего и нужен. Самый прямой способ получить белый свет - это смешать красный, зеленый и синий, как на экране телевизора. Но проще и эффективнее оказалось действовать по-другому: берется синий светодиод, на него наносится слой люминофора, который преобразует часть синего света в желтый - в результате получается белый цвет. Такие светодиоды можно увидеть в карманных фонариках, появившихся недавно в продаже.

 

Наш ответ «зеленым»

 

В последнее время широкие массы в ответ на «заклинания зеленых» кинулись скупать компактные флуоресцентные лампы (по принципу действия аналогичные «длинным» трубкам дневного света, работающим повсеместно в общественных местах). Светодиоды же пока пребывают в тени, главным образом по причине чрезмерно высокой стоимости. Но это - дело временное. А вот потенциальная способность светодиодов существенно обойти лучшие люминесцентные лампочки в КПД - заслуживает рассмотрения.

Сразу скажем, светодиоды, работающие как индикаторы, составные части дисплеев или всяческого рода оптоэлектронных устройств, — на баланс энергии в мире практически никакого влияния не оказывают. Светодиодное же освещение способно буквально изменить его.

Два профессора Чон Кхю Ким (Jong Kyu Kim) и Фред Шуберт (E. Fred Schubert) из политехнического института Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute)пронозируют,  в ближайшие годы мы станем свидетелями настоящей революции в этой области. В своей работе, опубликованной в журнале Optics Express, Чон и Фред пишут о «парадигме замены» (то есть тотальной замене ламп накаливания на светодиоды), что можно также интерпретировать как замену парадигмы. Дело в том, что по достижении какой-то критической массы разработки в области светодиодов «взорвутся» не просто количественным, но качественным изменением жизни. Как вам, скажем, сокращение расхода электричества на освещение домов, квартир и улиц в 13-17 раз?

Поневоле представишь, как города и веси обзаводятся ветряками и солнечными панелями и говорят централизованным электросетям «Прощай!». Без сильного роста КПД систем освещения о такой независимости и думать нечего - слишком получится накладно.

Об этом аспекте стоит сказать детальнее. Эффективность осветительных приборов ученые из Ренсселера приводят такую: хорошие лампы накаливания — 16 люмен на ватт, компактные флуоресцентные — 64 (то есть разница, как видим, четырёхкратная), длинные трубки дневного света — 80. Мы же добавим, что КПД современных массовых светодиодов, предназначенных именно для освещения, находится где-то в районе между компактными и «длинными» лампами дневного света (но тут параметры сильно зависят от конкретной модели — вот яркий пример).

Между тем теоретический предел для светодиодов ученые определили как 320 люмен на ватт, а реально достижимый параметр на ближайшие годы — 213! (Во всех случаях рассматриваются так называемые настоящие белые светодиоды, необходимые для домашнего освещения, так как цветные — еще эффективнее.). Поневоле вспоминается

чудак-изобретатель Кеймена, сделавшего недавно свой личный остров энергонезависимым и сократившего его расход энергии наполовину, потратив на то, однако, большие средства. А если серьезно, световая революция не за горами, учитывая, что Госдума РФ приняла в третьем чтении законопроект об энергоэффективности и энергосбережении, который, предполагает прекращение с 2011 года производства и продажи в России ламп накаливания мощностью 100 ватт и более. С 2013 года под запрет попадут лампы от 75 ватт, с 2014 - от 25 ватт. В законе предусмотрены государственные меры по стимулированию бизнеса к переходу на энергосберегающие технологии. Речь идет о таких формах господдержки, как налоговые льготы в виде возможности применения повышенных коэффициентов к норме амортизации (максимально энергоэффективного оборудования), инвестиционный налоговый кредит, а также возмещение процентов по кредитам на реализацию проектов в области энергосбережения.

Остается только сделать так, чтобы светодиодные приборы были еще и не слишком дорогими. И тогда нынешняя реклама компактных люминесцентных лампочек («Граждане, сократите свои расходы на освещение квартиры на 80%!») покажется несерьезной. Вот раз в 17 (это если сравнивать с самыми простыми лампами накаливания) - это да, это действительно тот случай, когда «количество переходит в качество».


Читать еще
Автономная канализация: современное решение для частного дома
Давайте окунемся в детские воспоминания… Проведя тяжелый год  в городской квартире, мы с нетерпением ждем поездки на дачу или к бабушке в деревню. Свежий воздух, соседи-друзья, рыбалка, речка, клубника с грядки и раздолье. И все эти приятные воспоминания омрачает один нюанс: туалет.  
874 0
Тепловые котлы отопления для частного дома
Выбирая котел для отопления своего дома, ориентируемся прежде всего на вид топлива и необходимую мощность.
1965 0
Тепловые насосы для дома
Сегодня для обогрева индивидуальных домов, коттеджей, таунхаусов и дач все чаще применяются тепловые насосы. Они совместимы практически со всеми видами отопления — радиаторами, теплым полом, теплым плинтусом.
2152 0
Как выбрать светильник с датчиком движения для квартиры
Такие светильники вполне комфортны в эксплуатации. Они не реагируют на домашних животных, даже крупных, потому что настроены только на человека. Они не срабатывают еще раз, если в помещение вошел второй человек, а отключают светильник лишь тогда, когда выйдет последний.
5014 0
Как рассчитывается мощность кондиционера?
Существует формула, позволяющая точно рассчитать мощность кондиционера в зависимости от всех особенностей данного конкретного помещения.
1009 0



Возврат к списку

Наши партнёры