Светодиодите в уличното осветление

Осветителите със светодиоди предлагат огромни възможности за икономия на енергия

Годишната консумация на електрическа енергия от уличното осветление е около 400 млн. kWh или по 50 kWh на жител. На фиг. 1 е представен относителният дял на консумираната ел. енергия за осветление и улично осветление в България. Колкото и малка част да представлява разходът на енергия за улично осветление, спестяването на всеки киловатчас е принос в общата борба за спасяване на Земята. Настоящата статия разглежда проблема за уличното осветление от малко по-друг ъгъл.

Подготвя се EN 1320-5
В процес на подготовка е нов европейски стандарт - EN 1320-5 за граничните стойности на коефициента на енергийна ефективност “Sleec” (Street Lighting Energy Efficiency Criteria).
При нормиране по яркост:
SL=Psys /(Lm AB), [W/(cd/m2m2)],
където:  Psys = PA + DPПРА, [W] - мощност на уличния осветител, равна на сумата от мощността на лампата плюс загубите на мощност в пуско-регулиращата апаратура (ПРА). Lm - експлоатационна яркост, [cd/m2 ]; Em - експлоатационна осветеност, [lx]; A - междустълбие, [m]; B - ширина на уличното платно [m].
Предложено е (въпреки че подлежи на дискусия) за максималните стойности на коефициентите Sleec ® max да се приемат посочените в таблица 1 стойности. Предложението е направено от консорциума от светлотехническите фирми за стандартизация на светодиодното улично осветление, Zhaga.
С развитието на светодиодите се откриват нови възможности пред уличното осветление. Създават се предпоставки да се реализират идеи, които не е възможно да се осъществят с конвенционалната осветителна техника до този момент. Става възможно и постигането на технико-икономически показатели, които са много по-високи от тези на конвенционалното улично осветление.
На фиг. 2 е представена прогнозата и реалното нарастване на светлинния добив ж на серийно произвеждани светодиоди с бяла светлина за периода 2007 - 2015 г. Наблюдава се леко понижение на тенденцията нарастване до 2007 г., т.е. на всеки две години светлинният добив се удвоява. През месец април 2010 г. в лабораторни условия беше постигнат светлинен добив от 208 lm/W.
На фиг. 3 са представени спектралните криви на бял светодиод с цветна температура 3000 и 6500 К.
За двата светодиода по кривите на спектрално излъчване е в сила формулата: Ф = KM 380т750 jl Vl dl .
Определят се максималните възможни светлинни добиви, при условие че цялата мощност, консумирана от светодиода се излъчва като лъчист поток във видимата част на спектъра. Максималният светлинен добив зависи от формата на спектралната крива и от индекса на цветопредаване Ra. При повишаване на Ra, максимално възможният светлинен добив намалява, и обратно.

Максимален светлинен добив при светодиодите
Съгласно закона за съхранение на енергията, количеството енергия, консумирано от светодиода q е равно на: q = qT + qСВ, където: qT - количество енергия, отделена като топлина в p-n прехода; qCB - количество енергия, отделена под формата на светлина.
На фиг. 4 са представени кривите на изменение на топлинната мощност РТ, отделяна от светодиода в зависимост от светлинния добив при цветни температури 3000 и 6500 К.
Светлинният добив на светодиодите с топлобяла светлина обикновено е по-нисък от този на светодиодите със студенобяла светлина, вследствие на по-големите загуби в луминофора. Естествено възниква въпросът коя е максималната стойност на светлинния добив, която може практически да се реализира?
Потенциална възможност за увеличение на светлинния добив на светодиодите включва използването на качествено нова технология за формиране на p-n преход, с използването на откритите още през 1972 г., но подложени на изследване едва през 1982 г. хетероструктури с квантови нишки и квантови точки и обемни резонатори. Теоретично чрез тази технология е възможно получаването на квантов КПД, клонящ към 100%.
През следващите години се очаква да се използват резултатите от новата полупроводникова технология.

Първоначални капитални вложения и експлоатационни разходи
От особена важност за производителите и потребителите на светодиодни осветители са първоначалните капитални вложения и експлоатационните разходи. Прогнозите за изменение на цените на светодиодите, отнесени към 1 klm светлинен поток и себестойността на светлинната енергия в [$/Mlmh] са за непрекъснатото им намаляване, като към 2015 г. цената на светодиодната светлина за [$/klm] се очаква да се доближи до цените на луминесцентните лампи Т5 и НЛВН с мощност 50 и 70 W. Цената на генерираната светлинна енергия се очаква да бъде чувствително по-ниска от тази на луминесцентните и нажежаемите лампи.
Принципното устройство на един уличен осветител е показано на фиг. 5, а системата за управление на осветителя - на фиг. 6. С приложението на системата за управление е възможно да се използва потенциалът на светодиодното улично осветление.

Възможности за повишаване на ефективността
с повишаване на светлинния добив на светодиодите при същите количествени и качествени показатели на уличните осветителни уредби. Също така ще се намалят инсталираните мощности, консумацията на електроенергия за осветление, а оттам и годишните разходи за електроенергия, в сравнение с използваните натриеви лампи. Намаляването на разходите за електроенергия води автоматично и до намаляване себестойността на светлинната енергия,
$/Mlmh, а оттам и до намаляване на себестойността на 1 klm - $/klm.
От увеличението на светлинния добив на светодиодите следва много сериозно последствие за експлоатационните качества на светодиодите - ще се намали тяхното термично натоварване. В какво се състои проблемът?
Днес, при ефективност 100 lm/W, светодиодът, излъчващ бяла светлина, преобразува около 25% от електрическата енергия в светлина. Останалите 75% от електроенергията се преобразува в топлина и това води до повишаване температурата на светодиода до 100 и повече оС. Както е известно, работата при повишена температура води до бързо намаляване на живота на светодиода, до промяна на спектралния състав и т.н. Нормално светодиодът трябва да работи при 55 оС, за да се гарантира 50 - 100 хиляди часа живот - второто голямо предимство на светодиода пред останалите светлинни източници. Поради тази причина трябва да се осигурява надеждно охлаждане на средата, в която работят светодиодите. Обикновено това се осъществява с разсейване на топлината, генерирана при работа на светодиодите в околното пространство, с различни по големина и форма радиатори.
Чрез повишаване на светлинния добив се намалява енергията, която се преобразува в топлина, примерно от 75 на 60-50%. Това означава, че за охлаждането ще се използват по-малко разсейващи повърхности с по-малка маса и приемлив дизайн. Тогава и за използване в битовото осветление ще могат да се прилагат по-съвършени форми и да се изгради нов стил.
Освен това съществен прогрес има и в намаляването на термичното съпротивление Rq на светодиода.
На фиг.7 са показани схематично и със заместваща схема основните зони, в които се формират термичните съпротивления. Пренебрегват се топлините съпротивления от прехода до подложката и тези от радиация (като много малки) и окончателно остава следното уравнение на термичното съпротивление: RqJA = RqJS + RqSB + RqBA
Изразено със стойностите на измерените температури, уравнението може да се запише във вида: RqJB = (TJ - TB)/Pd = (125 oC - 111 oC)/1.4 W = 10 oC/W. Във формулата: TJ=125 оС - максимална температура на p-n прехода; Vf=4.0 V, If=350 mA - максимално напрежение Vf  при 350 mA; Pd = Vf x If = 4.0V x 0.350 A = 1.4 W; RqJB = 100 оC/W. Светодиодът Z-power има стойност на RqJB - 80 C/W при 350 mA.
Водеща компания в областта съобщава, че термичното съпротивление на прехода (TJ) e достигнало стойност от 2 оС/W, което означава четири пъти намаление, в сравнение с посочения по-горе пример. Следователно отделената топлинна енергия ще се намали значително и поради тази причина.

Управление на светлинния поток при сухи и влажни настилки
Появи се нова съвременна тенденция в управлението на светлоразпределението на осветителите - управление на светлинния поток при сухи и влажни настилки. Необходимо ли е това? В уличното осветление в продължение на дълги години и много проведени изследвания се стигна до приемлив стандарт за улично осветление - EN13201-1, 2, 3, 4 и EN13032-3 CEN-TC 169. В част I на последния са разработени методи за избор на класове на улици според тяхното предназначение и трафик, а в следващите части - изискванията към осветлението, нормите за яркост или осветеност, изчисляването и измерването. Както е известно, изчисляването на яркостта на пътното платно се осъществява на базата на отражателните коефициенти на настилката (даден за различни материали, като марки бетони, модификации на асфалт светъл или тъмен - и най-важното: за сухи и за мокри настилки). Например, ако една улица се приема за клас МЕ4 при суха настилка, при мокра се избира вече клас МЕW. Това е така, защото отражателните характеристики на мократа настилка са други, с по-висок коефициент на отражение и друг ъгъл на индикатрисата. На фиг. 9 е показано изчисление на яркост при суха и при мокра настилка. Видно е, че яркостта при мокра настилка е около 2,5 - 3 пъти по-голяма от тази при суха настилка, при една и съща осветеност, с една и съща мощност на лампата. Следователно, съществува възможност при мокри настилки да се управлява яркостта към намаление, с което се икономисва до 2 - 2.5 пъти разходът на електроенергия. При средно 66 - 70 дъждовни дни в годината, това прави около 10 - 12% икономия. На фиг. 8 са показани подходящите светлоразпределителни криви за суха (а) и за мокра (б) пътна настилка.
Кривите от фиг. 8 са получени от изследване в лаборатория. Те показват, че „димирането” на осветител със светодиоди при суха и мокра пътна настилка може да бъде реалност. На фиг. 9 е показана зависимостта на светлинния добив от тока при димиране на светодиодите.

Постоянна яркост на пътното платно във времето
Друго направление за икономия на енергия се очертава с възможностите, които светодиодите предлагат за поддържане на постоянна яркост или осветеност на пътното платно във времето. Става въпрос за светлинния поток на светлинния източник, който в зависимост от типа и периода му на активна работа намалява. За да се поддържа в границата на нормите, проектната осветеност трябва да компенсира това намаление с увеличаване на мощността на лампата, когато тя е пригодена за управление. При светодиодите това понижение на светлинния поток настъпва по-бавно и повишаването на мощността на светодиодите би било много по-малко. Икономията на енергия в този случай е от порядъка на 10 - 15%.
Интересни са възможностите, които осигуряват светодиодните осветители за регулиране при нормална работа в часовете, например до 12 часа през нощта и след полунощ. Регулирането може да се извършва по избран алгоритъм и да се осъществява и плавно, и на много степени - 20%, 30%, 50% и 75% от максималния светлинен поток. При преминаване на 50% мощност възможната икономия на енергия е около 50% в сравнение с работата на натриева лампа, при която този ефект е около 35%. Ако яркостта се поддържа на 25% от експлоатационната яркост, обаче, и при появата на движение (автомобили или пешеходци се увеличава автоматично до 100%), ефектът от икономията на енергия може да достигне и 40%.

Управление на цвета на излъчената светлина
Друга изключителна възможност, която предлагат светодиодите, е за управление на цвета на излъчената светлина чрез промяна на цветната температура в диапазона от 2700 (вечер) до 6500 К (сутрин). Тук ползите са няколко: подобряват се условията на виждане, т.е. на зрителното възприятие, в зависимост от наличието или отсъствието на дневна светлина.
Като уникално би се възприело управлението на уличното осветление със светодиоди, благодарение на реализацията на точно насочване на излъчения светлинен поток от осветителя върху уличното платно, чрез използването на специални оптични лещи. По този начин се намалява разпиляната светлина, която при уличните осветители се оценява на около 20%. Това означава, че очакваната икономия на енергия е около 15-20%.
Сред най-големите проблеми на уличното осветление е поддръжката на осветителните уредби, включваща подмяна на лампи, евентуално почистване и т.н. При светодидното осветление съществува реална възможност за създаване на необслужваеми улични осветители с висока степен на IР защита и с подходящ термомениджмънт, благодарение на който времето на работа може да достигне 50 - 100 хил. часа. Ако се въведе управление на осветителя според експлоатационния фактор MF, могат да се спестят и финансови средства, и енергия. Разбира се, осветителят трябва да бъде предварително подготвен за тази операция. На фиг. 10 е показана зависимостта на експлоатационната яркост след определен период от време Т. През този дълъг период светлинният поток на осветителя ще намалее с DF=30% .
Ако се въведе димиране по MF спестената енергия и други разходи ще възлязат на около 10 - 12%.
Изброените възможности могат да спестят електроенергия. Разбира се, не всички действат едновременно и дали ще се използват активно от всички, които се докосват професионално до осветление, зависи от цялата гилдия на специалистите от НКО - учени, конструктори, производители, вносители, проектанти и специалистите по изграждане и поддръжка на улично осветление.
Очевидно бързото развитие на светодиодите възлага много нови задачи пред специалистите по осветителна техника, за да могат те да отговорят на предизвикателствата на новата научно-техническа революция в областта на осветлението. Това означава, че светотехническото общество, което се е формирало през годините около НКО, трябва да бъде в крак с всички новости в технологията на осветлението и да поддържа високо професионално ниво.

Проф. Христо Василев - ТУ-София,
Доц. д-р Ганчо Ганчев