Żarówka czy LED? Autor: Piotr Tomczyk ( Energetyka Cieplna i Zawodowa - 10/2011) Przez ostatnie stulecie wynalazek Edisona był najbardziej popularnym źródłem światła używanym przez człowieka. Czy nadchodzi kres jego użytkowania? W ostatnim czasie w wielu krajach na całym świecie toczy się debata na temat konieczności zastąpienia tradycyjnej żarówki energooszczędnymi źródłami światła. Mając na uwadze toczącą się obecnie dyskusję na temat negatywnego wpływu działalności człowieka na środowisko naturalne, a w szczególności zmian klimatycznych związanych z ocieplaniem się klimatu wskutek zwiększonej emisji gazów cieplarnianych, specjaliści zwrócili uwagę na fakt, że oświetlenie odpowiada za 19% zużycia energii elektrycznej na świecie. Sztuczne oświetlenie pojawiło się we wszystkich dziedzinach życia człowieka i jest nieodłącznym elementem rozwoju cywilizacji. Bez wątpienia najbardziej popularnym źródłem światła używanym do oświetlenia wnętrz jest tradycyjna żarówka, która jest powszechnie stosowana w oświetleniu gospodarstw domowych. Mimo faktu, że jest ona systematycznie wypierana przez inne, bardziej energooszczędne źródła światła to w dalszym ciągu, co roku, w krajach europejskich sprzedaje się ich ponad 2 mld. Skumulowana wartość energii zużywanej przez żarówki jest znaczna. Szacuje się, że ich wymiana na bardziej efektywne źródła światła, tylko w przypadku państw starego kontynentu, przyniosłaby oszczędności wynoszące ponad 3 mld EUR rocznie oraz redukcję emisji CO2 o 20 milionów ton. Żarówka tradycyjna Mimo że od czasu, kiedy w roku 1879 Edison wynalazł żarówkę ze skrętką ze zwęglonego włókna bambusowego, jej parametry znacznie się poprawiły, to z uwagi na zasadę jej działania jest bardzo nieefektywnym źródłem światła. Żarówka w swojej podstawowej części jest szczelną bańką szklaną zawierającą drut wolframowy, zwany potocznie żarnikiem lub skrętką, który jest podgrzewany przez przepływający przez niego prąd elektryczny do wysokiej temperatury. Im wyższa jest temperatura skrętki, tym więcej zostaje wyemitowanej energii elektromagnetycznej, z której część stanowi promieniowanie widzialne, czyli światło. Taki sposób emisji światła nazywamy temperaturowym wytwarzaniem światła (inkadescencją). Niestety, jest to jednak sposób bardzo niedoskonały, bowiem jedynie kilka procent energii elektrycznej jest zamieniona na światło. Pozostałe dziewięćdziesiąt kilka procent jest zamienione na promieniowanie cieplne i straty przewodzenia. Równocześnie przy temperaturze powyżej 33000C wolfram zaczyna parować. Skrętka staje się coraz cieńsza, aż do momentu jej przepalenia. W konsekwencji trwałość tradycyjnej żarówki szacuje się na około 1000 h świecenia. Aspekty prawne 27 stycznia 1998 roku weszła w życie Dyrektywa Komisji 98/11/WE wykonująca dyrektywę Rady 92/75/EWG w zakresie etykietowania energii lamp gospodarstwa domowego. Zgodnie z ustawodawstwem Unii Europejskiej wszystkie źródła światła zasilane napięciem sieciowym i
przeznaczone do stosowania w gospodarstwie domowym podlegają obowiązkowej kwalifikacji z uwagi na efektywność energetyczną. Klasy energetyczne (klasy efektywności energetycznej) oznacza się literami od A do G. Etykieta jest nadrukowana lub załączona do pojedynczego opakowania lampy. Klasy energetyczne wyznacza się ze stosunku rocznego zużycia energii przez dane urządzenie do standardowego zużycia energii przez tego typu urządzenia określonego odpowiednimi przepisami. Klasą A oznacza się urządzenia najbardziej efektywne, a klasą G najmniej efektywne. Najpopularniejsza w Polsce żarówka 100 W emitująca 1360 lumenów światła posiada klasę energetyczną E. Dla porównania - energooszczędna świetlówka kompaktowa świecąca tak samo jasno i posiadająca klasę A może zużywać nie więcej niż 22,86 watów. Rysunek nr 1 przedstawia wygląd etykiety energetycznej dla źródła światła. Oprócz klasy efektywności energetycznej na etykiecie znajduje się informacja o strumieniu świetlnym lampy, jej mocy i trwałości. Przykładem nowoczesnych lamp żarowych są żarówki halogenowe, które dzięki zastosowaniu regeneracyjnego cyklu halogenowego osiągają do 25% wyższą skuteczność świetlną oraz 2-4 razy większą trwałość niż tradycyjne żarówki. XY00 Lumen XYZ Watt XY00 h Rys. 1. Etykieta energetyczna dla źródła światła Postęp w dziedzinie technologii otworzył drzwi nowym koncepcjom oświetleniowym podyktowanym między innymi przez trend idący w kierunku miniaturyzacji dłuższego okresu użytkowania, efektywności i wytrzymałości. Tak powstały źródła LED. Znaczny wzrost jakości diod świecących oraz wprowadzenie nowej optyki równoległej (kolimatory) umożliwiło podniesienie efektywności całego systemu. Dotychczas oprawy LED były stosowane przede wszystkim przy oświetleniu dekoracyjnym i orientacyjnym (prowadzącym).wraz z pojawieniem się zaawansowanej optyki równoległej oraz technologii LED High Power Luxeon, oprawy produkowane w nowej technologii umożliwiają projektantom wypełnienie luki oświetlenia w przemyśle
Rozporządzenie Komisji (WE) nr 245/2009 z dnia 18 marca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady odnosi się do wymogów dotyczących ekoprojektu dla lamp fluorescencyjnych bez wbudowanego statecznika, dla lamp wyładowczych dużej intensywności, a także dla stateczników i opraw oświetleniowych służących do zasilania takich lamp. Uchyla ono dyrektywę 2000/55/WE Parlamentu Europejskiego i Rady. Na potrzeby niniejszego rozporządzenia za istotne uważa się następujące aspekty ekologiczne objętych nim produktów wykorzystujących energię: a) pobór energii w stanie użytkowania; b) zawartość rtęci w lampach. Szacuje się, że w 2005 r. w całej wspólnocie roczne zużycie energii elektrycznej związane z produktami, których dotyczy niniejsze rozporządzenie, wyniosło 200 TWh, co odpowiada emisji 80 mln ton CO2, a jeżeli nie zostaną podjęte konkretne działania, wzrośnie ono do 260 TWh w 2020 r. Można jednak tego uniknąć, jak wynika z przeprowadzonych badań przygotowawczych, których dotyczy powyższe rozporządzenie. Rys. 2. Harmonogram wycofywania żarówek przez firmę PHILIPS. Perfekcyjne oświetlenie LED są z natury jasnym źródłem światła tworzącym wiązkę o stosunkowo niewielkim kącie bryłowym. Różnica pomiędzy oświetleniem standardowym i oświetleniem typu LED została pokazana na rysunku poniżej.
Rys. 3. Zasada działania oświetlenia tradycyjnego i typu LED. Wiadomo, że na całym świecie szuka się alternatywnych rozwiązań energetycznych. Wywołane to jest przede wszystkim przez chęć redukcji zużycia energii, obniżenia kosztów eksploatacji oraz poprawę efektywności. Przykładem jest tutaj wytwarzanie elektryczności za pomocą odnawialnych źródeł energii, takich jak: wiatr, energia słoneczna, geotermiczna i pływowa. Zgodnie z Rozporządzeniem 245/2009 zaczęto sukcesywnie wycofywać nieefektywne oświetlenie - to typu LED daje możliwość zmiany relacji między oświetleniem i jego udziałem w kosztach eksploatacji, zużyciu energii i zmianami klimatycznymi. Ten optymizm w przypadku diod LED związany jest z wysoką wydajnością zamiany energii elektrycznej w światło, która nazywana jest skutecznością mierzoną w ilości lumenów na wat poboru mocy elektrycznej. Jedną z głównych przeszkód przy wdrażaniu oświetlenia LED są wysokie koszty początkowe (jest to koszt pozorny) w porównaniu do początkowych kosztów oświetlenia innego typu (nawet czterokrotne różnice). Chociaż nowoczesna teoria inwestowania mówi, że projekty inwestycyjne o dodatniej wartości bieżącej netto (NPV) zwrotu powinny być podejmowane. Klucz do polepszenia ekonomii lamp LED, a tym samym do przyspieszenia ich zastosowania możemy zobaczyć na rysunku 4. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1. rok 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Swietlówka LED Swietlówka
300 250 200 150 100 50 0 8.rok Świetlówka LED Świetlówka zwykła Rys. 4. Różnica kosztów po 8 latach eksploatacji LED Świetlówka Żywotność 50 tys. h Żywotność 10 tys. h (max) Koszt: Świetlówka 150 PLN Świetlówki (5 szt.) 40 PLN Oprawa (bez dławika) 20 PLN Oprawy (2 szt.) 200 PLN Energia (50 tys. h x 8,3W x 0,33 PLN) 137 PLN (50 tys. h x 25W x 0,33 PLN) 412 PLN RAZEM: 307 PLN 652 PLN Pokazuje on krzywą kosztów cyklu życia LED w porównaniu do zwykłej oprawy, co prowadzi do bardziej zdecydowanych przyjęć i wymiany starych lamp na nowe. Radykalna poprawa efektywności zmniejsza zużycie energii. Zwiększając skuteczność można obniżyć liczbę diod potrzebnych do wytworzenia wymaganego poziomu fotometrycznego na powierzchnię docelową, a tym samym obniżyć koszty początkowe. Wreszcie zwiększenie efektywności może znacznie wydłużyć żywotność lampy poprzez zmniejszenie wymaganego natężenia, a zatem obniżenie temperatury złącza, która jest głównym czynnikiem warunkującym czas życia lampy LED. Pojawienie się na rynku tak wielu produktów pseudo LED (większość produktów znajduje się w supermarketach) nie ma nic wspólnego z odpowiednim wykonaniem źródła LED i w bardzo znacznym stopniu psuje jego renomę z uwagi na brak podstawowych zasad technicznych, które mają znaczący wpływ na żywotność źródła. Aby obniżyć koszty produkcji, stosowane są amatorskie rozwiązania (np. spoty 48, 68 diod). Żywotność takiego źródła niekiedy nie jest nawet na poziomie zwykłej żarówki. Należy zdać sobie sprawę z tego, że efektywność lamp LED w rzeczywistości składa się z trzech odrębnych elementów: 1. Efektywności, z jaką elektrony są konwertowane na fotony i na fotometryczną jasność źródła LED.
2. Efektywności, z jaką generowane światło jest kierowane z oprawy. 3. Efektywności, z jaką światło kierowane jest na obszar docelowy. Oświetlenie typu HID nie jest z natury jasnym źródłem, ponieważ światło jest rozproszone i skierowane w różnych kierunkach. Aby uzyskać jakąkolwiek kierunkowość, złożony układ lustra musi być wykorzystany do pokierowania światła. Wytworzenie światła LED odbywa się w niewielkim półprzewodnikowym złączu pn, z którego światło wydobywa się w jednym kierunku. W ten sposób bardziej możliwe jest skupienie i skierowanie światła przez proces kolimacji, czyli przetworzenia wiązki rozbieżnej w równoległą. Oświetlenia typu HID stwarza problem z niedoświetleniem krawędzi jezdni oraz z nadmiernym oświetleniem obszarów ulicy tuż pod lampą. Technologia Aimed Optics dla wysokiej wydajności oświetlenia opiera się na zasadach kolimacji. Wysoka jasność wykorzystywana jest przy użyciu kolimacji optyki do tworzenia wąskich wiązek promieni. Przykład realizacji projektu zawierającego technologię Aimed Optics pokazany jest na rysunku 5. Każda dioda LED wyposażona jest w optykę kolimacyjną (a) w celu uzyskania pożądanych właściwości rozbieżności wiązki. Następnie tworzona jest specjalna powierzchnia (b) mająca na celu określenie kierunku każdej z wiązek światła lub grup wiązek. (a) (b) (c) (d) Rys. 5. Realizacja technologii Aimed Optics z udziałem kolimacji (a), stworzenie specjalnej kierującej powierzchni (b), budowa optycznego zespołu (c), końcowy efekt oprawa Cobra Head (d). Wyższa skuteczność oznacza, że mniejsza ilość LED jest potrzebna do uzyskania wydajności fotometrycznej, pozwala na uruchomienie diod LED przy użyciu prądu o niższym napięciu: niższe natężenie prądu oznacza niższą temperaturę, co wiąże się z wydłużeniem żywotności produktu i zmniejszeniem kosztów eksploatacji, takich jak koszty konserwacji oraz generuje niższe koszty energii przez cały okres użytkowania lampy. Istotą technologii Aimed Optics jest wykorzystanie precyzyjnego sterowania do kierowania strumienia światła w dokładnie określone miejsce i nigdzie indziej. Ta precyzja znacznie zmniejsza rozproszenie światła na boki (znane jako zakłócanie snu w nocy poprzez wpadanie światła z lamp ulicznych przez okna). Rysunek 6 przedstawia konkretne rozwiązanie lampy ulicznej. Inteligentne oświetlenie wprowadzi erę właściwego oświetlenia, gdzie światło będzie mogło być dopasowane do warunków drogowych i atmosferycznych. Oprawy
EvoLucia pozwalają uzyskać wymagane oświetlenie, oszczędzić koszty energii i przedłużyć żywotność lampy. Rys. 6 Lampa uliczna. Właściwe oświetlenie może być również stosowane czasowo. W trakcie zmierzchu lub o świcie (od 20% do 30% przypadków) światło mogłoby być wyłączane. Poziom oświetlenia mógłby być również obniżany podczas późnej nocy i wczesnym rankiem, szczególnie w takich miejscach jak parkingi i garaże. Ponadto, takie urządzenia, jak kamery, czujniki i inne urządzenia służące do pomiaru, mogą być dołączone. Technologia LED CHIP SOLLS najnowszym rozwiązaniem w lampach z zastosowaniem źródeł światła LED jest CHIP. Najnowsze trendy w oświetleniu pokazują coraz więcej firm, które stosują chipy. Marka oświetlenia SOLLS jako jedna z pierwszych w Polsce zastosowała tego typu rozwiązania w lampach ulicznych oraz w oświetleniu przemysłowym, które z szerokim powodzeniem wdraża do wielu zakładów oraz fabryk. Zdjęcie1. LED CHIP 100 W
Bezpośrednią przewagą tego typu rozwiązania jest przede wszystkim: prosta konstrukcja obudowy, minimalna liczba elementów konstrukcyjnych, ilość połączeń lutowanych, która ogranicza się do kilku, co eliminuje ryzyko zimnych lutów, szybki i łatwy montaż każdego z elementów lampy co nie czyni z takiej lampy produktu jednorazowego użytku (często w lampach kilkudziesięcio - a nawet kilkusetdiodowej naprawa przerasta koszt zakupu nowej), kierunkowy rozsył strumienia ograniczany dobrze dobranym odbłyśnikiem, doskonała optyka, duża żywotność, bardzo dobrze rozwiązany problem radiacji, łatwość sterowania, duża oszczędność energii ze względu na wysoką sprawność układu, szeroki zakres temperatur barwowych. Korzyści wynikające z zastosowania nowych technologii oświetlenia w przemyśle: Zużycie energii niższe o 50-70%, Ekologiczne bez kosztów utylizacji odpadów niebezpiecznych (rtęci), Bezpieczne nietłukące, chłodne, bez efektu stroboskopowego (wzrok), Mniejsze wymagania dla instalacji elektrycznej, Żywotność 50 000 h (5-7 razy dłużej niż zwykłe świetlówki), a dla źródeł spot 20 000 h (10 razy dłużej), Bardzo niska emisja ciepła, Tanie w eksploatacji, Obniżona emisja CO2.
Niestety, żeby nie było tak pięknie, są też i wady: wyższa cena zakupu produktu, zyski z zastosowania zależą od średniego czasu włączonego oświetlenia (im więcej godzin na dobę, tym szybciej zwraca się inwestycja). W Zakładach Azotowych Puławy SA występuje duże zróżnicowanie rodzajów i zainstalowanych mocy źródeł światła. Łączna moc zainstalowanych opraw w obiektach produkcyjnych (budynkach) wynosi 17 MW, natomiast sumaryczny koszt energii elektrycznej wykorzystywanej do oświetlania miejsc pracy (bez kosztów eksploatacyjnych przeglądów, wymiany opraw, elementów oraz źródeł światła) wynosi 1419840,00 PLN miesięcznie. Szacuję, że po zastosowaniu źródeł LED oszczędności za energię rocznie będziemy mieli na poziomie 8000000 zł. Jest to znaczna kwota i wynosi ok. 15% całego zużycia energii elektrycznej ZAP. Musimy radykalnie zmienić podejście do energooszczędności, zwłaszcza z uwagi na lawinowy wzrost cen energii elektrycznej i kar, które w niedługim czasie będziemy płacić za emisję CO2.