Високоефективно LED осветление

С навлизането на LED технологията в осветлението производителите се съсредоточиха върху непрекъснато повишаване на ефективността на светодиодите. Съвременните LED осветители стават все по-ефективни в допълнение към множеството им други предимства в сравнение с конвенционалните осветителни технологии - в пъти по дългия им живот, възможностите за икономии на енергия (по-малката им с до 75% консумация), по-високото качество на светлината и др.

Сред плюсовете на светодиодните решения за жилищни и търговски приложения е и огромното разнообразие от продукти в този сегмент, които позволяват реализиране на различни осветителни проекти.

Светлинна ефикасност
Осветителните тела на пазара се отличават с различна светлинна ефикасност и ефективност. Поради специфичната спектрална чувствителност на човешкото око обаче, не всички дължини на вълната на светлината са еднакво видими или еднакво стимулиращи зрението. Светлинното излъчване в инфрачервената и ултравиолетовата част на спектъра например е неподходящо за осветление.

Светлинната ефикасност (luminous efficacy) на един светлоизточник е показател за това колко добре произвежда видима светлина. Тя представлява съотношението на светлинния поток към мощността на източника, измервана в лумени на ват (lm/W) в системата SI. В зависимост от контекста под “мощност” може да се разбира или лъчистият поток на светлоизточника, или общата мощност (електрическа, химическа и т. н.), консумирана от него.

Светлинната ефикасност на практика показва колко добре светлоизточникът преобразува енергия в електромагнитно излъчване и колко добре излъчването се разпознава от човешкото око.

Светлинната ефикасност може да бъде преобразувана от максималната възможна измерима ефикасност в безразмерна величина, наречена светлинна ефективност (luminous efficiency). Разликата между двете понятия невинаги се изяснява напълно в техническата литература, като на места се допуска ефективност да се изразява в лумени на ват, а ефикасност в проценти, макар на теория да е точно обратното.

Светлинна ефективност на излъчването
Светлинната ефективност на излъчването на един светлоизточник измерва частта от електромагнитната му мощност, която може да бъде използвана за осветление. Тя се получава като се раздели светлинният поток на лъчистия поток. Светлината с дължина на вълната извън видимия спектър намалява светлинната ефикасност, тъй като допринася само за лъчистия поток на светлоизточника, а светлинният й поток е нула.

Т. нар. фотопична светлинна ефикасност (която описва реакцията на едно типично човешко око, адаптирано към ярка светлина) на излъчването е с максимална възможна стойност 683 lm/W, при монохроматична светлина с дължина на вълната 555 nm (в зелената част на видимия спектър). Скотопичната светлинна ефикасност на светлинното излъчване (реакцията на окото при затъмнена светлина) достига 1700 lm/W при монохроматична светлина с дължина на вълната 507 nm.

Светлинна ефективност
Изкуствените източници на светлина обикновено се класифицират според светлинната им ефикасност (наричана на места в англоезичната литература “wall-plug efficacy”). Тя се получава като съотношение между общия светлинен поток, излъчен от дадено устройство, и общата входяща мощност (електрическа или друга), която то консумира.

Светлинната ефикасност на светлоизточника е мярка за неговата ефективност, като отдадената мощност отчита кривата на спектрален отговор (функция на светлоотдаването). Когато се изрази в безразмерна форма (например като фракция от максималната възможна светлинна ефикасност), тази стойност може да бъде наричана (обща) светлинна ефективност на светлоизточника (luminous efficiency, overall luminous efficiency, lighting efficiency).

Основната разлика между светлинната ефикасност на светлинното излъчване и тази на светлоизточника е, че последната отчита и входящата енергия, която се губи под формата на топлина или напуска източника под друга форма, различна от електромагнитна радиация.

Ефективност и работни параметри
Типичните индикаторни светодиоди са проектирани да работят с ел. мощност не по-голяма от 30-60 миливата (mW). Едно от ключовите предимства на LED-базираните светлоизточници е именно високата им светлинна ефикасност. Белите светодиодни осветители на пазара бързо успяват да покрият и надминат ефикасността на стандартните лампи с нажежаема жичка.

През 1999 г. на пазара на осветителни решения е представена серия продукти, способни да работят непрекъснато с мощност един ват. При тях размерите на полупроводниковите чипове са много по-големи, за да издържат на по-високите входящи мощности. Чиповете са монтирани към специални метални подложки с функция на топлоотвеждащи радиатори.

През 2002 г. в сегмента се появяват петватови LED модули със светлинна ефикасност 18-22 lm/W. За сравнение, конвенционална лампа с нажежаема жичка с мощност 60-100 вата излъчва с ефикасност около 15 lm/W, а стандартните луминесцентни лампи - до 100 lm/W.

През 2003 г. на пазара излиза нов тип сини светодиоди, които консумират 24 mW при 20 милиампера (mA). Следват фабрично пакетирани LED крушки, които излъчват бяла светлина с ефикасност 65 lm/W при 20 mA, които по това време са най-яркият достъпен на пазара светодиоден светлоизточник, повече от четири пъти по-ефективен от стандартна крушка с нажежаема жичка. През 2006 г. е демонстриран прототип с рекордната тогава светлинна ефикасност за бяла LED крушка от 131 lm/W при 20 mA. В последствие се разработват и продукти със 150 lm/W (при 20 mA).

През 2011 г. в сегмента се налагат крушки с ефикасност 100 lm/W при пълна мощност 10 W и до 160 lm/W при 2 W. Следващата година е анонсиран бял светодиод с 254 lm/W, а през 2014 г. - такъв с 303 lm/W.

Стандартното осветление за жилищни и търговски обекти днес изисква високоефективни LED светлоизточници с мощност 1 ват или повече. Типично те работят с ток і350 mA. Описаните по-горе стойности на светлинната ефикасност се отнасят само до светодиоди, експлоатирани при ниски температури в лабораторни условия. LED модулите, инсталирани в корпуси при реални условия, работят при по-високи температури и със загуби от драйверите, като при тях ефективностите на практика са много по-ниски.

През 2009 г. щатският енергиен департамент DOE провежда тестове на масово предлаганите комерсиални LED модули за ретрофит на крушки с нажежаема жичка или компактни флуоресцентни лампи. Тестовете показват средна ефикасност от 46 lm/W (при диапазон от 17 lm/W до 79 lm/W при различните продукти).

Намаляване на ефективността (efficiency droop)
Това явление представлява намаляване на светлинната ефективност на LED модулите с увеличаване на електрическия ток (до стойности от порядъка на няколко десетки милиампера). Ефектът първоначално се обяснява с повишаването на температурата.

Впоследствие учените доказват точно обратното: макар да съкращават значително експлоатационния живот на светодиодите, високите температури са свързани с по-слабо намаляване на ефективността. Механизмът, причиняващ спада, е идентифициран през 2007 г. като сложен не-радиационен процес, наречен “Оже-рекомбинация”. През 2013 г. проучвания доказват, че именно той е причината за спада на ефективността при LED светлоизточниците.

В допълнение към по-ниската ефективност, експлоатирането на светодиодни осветители при по-голям електрически ток генерира и по-големи количества топлина, която компрометира дълговечността им. Ето защо е въведен стандарт за LED лампите с висока яркост, съгласно който те трябва да работят с ток, не по-голям от 350 mA. Така се постига компромисно решение между светлоотдаване, ефективност и дълъг експлоатационен живот.

Възможни решения
Вместо да се увеличава работният ток, по-висока светимост се получава чрез комбиниране на множество отделни светодиоди в една крушка. Разрешаването на проблема със спадането на ефективността на практика означава, че LED крушките за жилищни приложения се нуждаят от по-малко на брой светодиоди в сравнение с продуктите за комерсиални и индустриални цели, което значително занижава производствените разходи и позволява по-ниска цена на тези серии.

Изследователи от лабораторията Naval Research в САЩ са открили и друг начин да редуцират ефекта на намаляване на ефективността. Учените са създали специални квантови ямки, чрез които не-радиационните процеси, известни като “Оже-рекомбинация”, могат да бъдат ограничавани.

Екип от тайванския Национален централен университет също работи по възможни решения за ограничаването на този ефект. Предложението на инженерите включва използването на керамични субстрати от алуминиев нитрид, които се отличават с по-висока топлопроводимост в сравнение с масово използваният за целта сапфир. Тази конструкция намалява ефектите на самонагряване, обясняват учените.

Ефективност на LED осветлението над 100%
През 2012 г. изследователи от Масачузетски технологичен институт демонстрират светодиод, който може да излъчи повече оптична мощност от електрическата мощност, която консумира.

Технологията е базирана на LED модул с много ниска входяща мощност (30 пиковата), който произвежда и много малка светлинна мощност (69 пиковата), но с изключително висока ефективност от 230%. Ключът към постигането й е значително намаляване на приложеното напрежение.

Когато то се намали два пъти, изчисляват учените, входящата мощност се намалява с фактор от 4, а излъчената светлинна мощност се намалява само два пъти. Така на практика ефективността на светодиода се увеличава с намаляване на изходната му мощност.

Процесът на излъчване леко охлажда модула, което го превръща в своеобразен термоелектрически охладител. Това охлаждане е недостатъчно, за да окаже влияние върху стайната температура например, но би могло да бъде използвано в проектирането на светодиодни лампи, които не генерират топлина.

Ефективностите на LED осветителите са се увеличили с около 50% между 2012 и 2014 г., сочи проучване на щатската маркетингова агенция за технологии в областта на чистата енергия CleanTechnica. В същото време цените на тези продукти значително спадат, което насърчава все по-широкото им използване и за жилищни и търговски цели, дори за проекти, които не получават държавни финансови стимули за енергийна ефективност.

От около 60 лумена на ват през 2012 г. средната светлинна ефикасност на LED крушките се е повишила до близо 100 lm/W през 2014 г., показват данните на CleanTechnica. Прогнозите на маркетолозите са този показател да достигне 150 lm/W през 2020 г.

Сравнителният анализ на различните масови осветителни технологии доказва, че LED осветлението е най-ефективното съвременно решение. Крушките с нажежаема жичка постигат ефикасност от едва 13-18 лумена на ват през 2014 г., а при компактните луминесцентни лампи тя е 55-70 lm/W.

Докъде може да стигне ефективността при LED осветителите?
Ефективността на светодиодното осветление значително се увеличи през последните години с развитието и все по-масовото прилагане на бели LED модули в архитектурното осветление. Много от производителите и търговците обещават гигантски скок на светлинната ефикасност на светодиодите в бъдеще, но на практика този показател има съответните физични ограничения.

В допълнение, винаги трябва да бъдат отчитани и експлоатационните условия - ултрависока ефикасност обикновено е постижима само в лабораторна среда.

Теоретична максимална светлинна ефикасност на белите светодиоди
В ретината на човешкото око има около 7 млн. рецептора за червен, зелен и син цвят. Приблизително 60% от тях са за зелено. Така човешкото око възприема зеления цвят много по-ярко от червения и синия, въпреки, че физичната им лъчиста мощност е еднаква.

Вземайки предвид гореспоменатите уточнения за фотопично и скотопично зрение, най-високата светлинна ефикасност, която теоретично може да бъде постигната при дължина на вълната 555 nm, е 683 lm/W. На практика, разбира се, тази стойност не може да бъде реализирана, тъй като това би означавало, че 1 ват физическа лъчиста мощност може да бъде преобразувана изцяло, без загуби, във видима светлина.

Монохроматичната зелена светлина не е подходяща за повечето осветителни приложения, макар и най-високоефективна. Най-често използвани за жилищни и търговски приложения са белите LED светодиоди с различна цветна температура и оптимален индекс на цветопредаване в зависимост от целите.

Простото “запълване” на спектралното разпределение с други дължини на вълната от видимия спектър (380-780 nm) обаче би довело до спад в теоретичната максимална светлинна ефикасност. Ето защо този показател няма как да бъде точно изчислен за белите светодиоди, а зависи от спектралното разпределение.

Зависимост между светлинната  ефикасност и спектралното  разпределение
Типичният спектър на светодиод, излъчващ топла бяла светлина, кореспондира със светлинна ефикасност от приблизително 320 lm/W. Теоретично се допуска, че е възможно преобразуване на лъчиста мощност без загуби в дължини на вълната от спектъра, но реалната постижима светлинна ефикасност на модула е много по-малка. Прогнозите на изследователите в областта са, че в бъдеще ще е възможно постигането на реална ефикасност в диапазона 200-250 lm/W.

Съгласно показателя ефективност на преобразуване на енергията или колко от лъчистата мощност се превръща във видима светлина високоефективните съвременни LED модули значително водят конвенционалните технологии. Ако при лампите с нажежаема жичка този коефициент е между 10 и 20 %, високоефективните светодиоди постигат между 40 и 50%. Все пак 50-60% от лъчистата енергия, дори при LED технологията, продължава да се губи в процеса под формата на топлина.

Не се очаква гигантски скок в ефективността на светодиодните осветители през следващите години, какъвто наблюдавахме след навлизането на технологията в серийно производство за осветителни приложения, категорични са пазарните анализатори.

Средната светлинна ефикасност на LED осветителите ще продължи да се покачва, тъй като на пазара продължават масово да се предлагат продукти с ефикасност от порядъка на 50-70 lm/W, при които е налице потенциал за оптимизация. Темповете на повишаване на този показател обаче бавно, но сигурно ще се забавят, убедени са експертите в областта на светодиодното осветление.