Перспективы безопасного использования светодиодных источников в энергосберегающих технологиях

Список использованной литературы

1. Общая и военная гигиена / Под ред. Б.И. Жолуса - СПб: Изд. ВМА им. С.М. Кирова, 1997. - 360 с.

2. Рахманин Ю.А., Новиков С.М., Иванов С.И. Современные научные проблемы совершенствования методологии оценки риска здоровью населения // Гигиена и санитария. 2005. № 2. - С. 7-10.

3. Актуальные проблемы физиологии военного труда / Под ред. В.И. Шостака. - СПб: Изд. ВМА им. С.М. Кирова, 1992. - 264 с.

ПЕРСПЕКТИВЫ БЕЗОПАСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ

ТЕХНОЛОГИЯХ

С.А. Соколов, генеральный директор, ООО «ДИОДОСВЕТ» г. Воронеж, Ю.Н. Шалимов, главный технолог отдела, д.т.н., профессор,

ОАО «НКТБ «Феррит», г. Воронеж, М. Лутовац, академик, профессор, д-р, Университет «Унион Никола Тесла» г. Белград, Сербия, факультет менеджмента г. Херцег-Нови, Черногория, Г.А. Квашнина, заместитель декана факультета, к.т.н.,

Т.Н. Куликова, адъюнкт, Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж

Одной из основных тенденций народного хозяйства в настоящее время является переход на энергосберегающие источники потребления электроэнергии, в частности на новые типы источников освещения. Общая энергоэффективность источников освещения является совокупностью нескольких параметров:

Во-первых, замена светильников, использующих лампы ДРЛ, ДРВ и им подобных на энергосберегающие, позволяет сократить потребление энергоресурсов в 2-10 раз.

Во-вторых, необходимо с максимальной эффективностью использовать возможность современных энергосберегающих светильников в регулировании освещенности без потери спектральных характеристик. Причем, в случае светодиодных светильников удельный выход света при снижении питающей силы тока увеличивается, впрочем, как и срок жизни светодиодов. Что касается ламп ДРЛ, Днат, ДРВ, то у них нет возможности регулировки яркости свечения.

В-третьих, при создании систем уличного освещения не стоит забывать и об использовании альтернативных источников энергии. Например, солнечной. Использование в качестве питания для уличных светильников

солнечные батареи, в качестве дополнительного или питания основного, где по каким-то причинам невозможно включить светильники общую систему питания, можно получить весомую прибавку в экономии электроэнергии.

Но, тем не менее, стремясь к максимальной эффективности новых источников света, следует четко понимать необходимость сохранения безопасной среды обитания для человека.

Как воспринимает искусственный свет человеческий глаз?

Когда мы говорим об эффективности светового прибора, не следует забывать о том, что мерой этой эффективности будет отнюдь не выдаваемые источником параметры света (его паспортные характеристики), а то, как воспримет их «основной потребитель» - человеческий глаз. Спектральная чувствительность человеческого глаза в процессе эволюции сформировалась под влиянием солнечного света. К этому эталонному значению в большей или меньшей степени стремятся все проектируемые сегодня световые приборы. Однако, качество света, излучаемого комбинацией «синий кристалл - желтый люминофор» (белый светодиод) оказывается значительно лучше излучения традиционных ламп, при сравнимой световой эффективности. Спектр излучения по этой схеме имеет очень высокий процент соответствия кривой видности человеческого глаза У(Х) на протяженном участке видимого диапазона, достигая 95 % в области желтого, имеет непрерывный характер и, как следствие, высокое подобие естественному излучению, чем не обладает ни один тип из современных световых излучателей. Обратимся к таблице и сравним спектральные составляющие излучения светодиодов и используемых в освещении ламп: люминесцентных, накаливания и др., спектры которых приведены на рисунках 1-6.

Таблица

Типы источников излучения / Еа

Солнце в 14 ч. Июль, Т=6150 К 92,96

Лампа накаливания с Т=2560 К 28,55

Люминесцентная лампа с Т=2700 К 5,54

Люминесцентная лампа с Т=4000 К 6,64

Люминесцентная лампа с Т=6300 К 5,41

Металлогалогенная лампа с Т=5400 К 4,70

Лампа ДНат с Т=2100 К 4,51

Белый светодиод с Т=3300 К 79,31

Белый светодиод с Т=6300 К 44,68

Отношение интегралов относительного спектрального распределения плотности энергетической яркости различных источников Еа(к) к интегралу видности человеческого глаза К(Х), показывающее эффективность восприятия глазом их излучения.

Рис. 1. Характеристика спектрального распределения светового потока люминесцентной (индукционной) лампы с Т = 4000 К

Рис. 3. Характеристика спектрального

распределения светового потока металлогалогенной лампы с Т = 6700 К

а

у I

I

\ СИ-пи»

Л

—* •—с"-"«

Рис. 5. Характеристика спектрального распределения светового потока компактной люминесцентной (энергосберегающей) лампы с Т = 6400 К

Рис. 2. Характеристика спектрального распределения светового потока белого светодиода с Т = 3200 К

»1 —— } —1 — -

и| ц н мт «т

7 / 1

¡1 А

\\

/V

ш

Рис. 4. Характеристика спектрального распределения светового потока лампы накаливания (галогенной) сТ = 2780К

-

/ -1

- - V- _

Ь- - 4 [ +— — — 1

1

1 ч

-с - 1 -А— - { N N 0 71

Рис. 6. Характеристика спектрального распределения светового потока натриевой лампы ДНат

На рисунке 7 показана зависимость порогов цветоразличения ДпХ глаза от длины волны излучения.

Чувствительность глаза к изменению чистоты цвета обычно характеризуют числом пр, показывающим, сколько цветов от чисто белого до спектрально чистого способен различать глаз при данном цветовом тоне X. Локальные максимумы, как видно из рисунка соответствуют синему спектру в 450-460 нм и желтой составляющей спектра 550 нм и, чем более они заполнены излучением светового прибора, тем более он эффективен с точки зрения «конечного потребителя» - человеческого глаза. Однако следует отметить, что

при различном уровне общей освещённости у людей наблюдается различная относительная чувствительность к освещению. На рисунке 8 приведена фотопическая кривая (зрение при ярком освещении - день) и скотопическая кривая (зрение при низком уровне освещения - ночь). Днем «работают» колбочки (максимум чувствительности приходится на 555 нм). Палочки же (максимум чувствительности приходится на 509 нм) вносят большой вклад в зрительный процесс в условиях сумеречного и ночного зрения. Как следствие, кривая видности человеческого глаза для ночного и сумеречного зрения смещается в сторону более коротковолнового излучения. Этот факт так же необходимо учитывать при принятии решения о характеристиках светильников для освещения улиц в ночное время.

Рис. 7. Зависимость порогов Рис. 8. Чувствительность сетчатки глаза

цветоразличения от длины волны излучения при ночном и дневном зрении

Как можно заметить из таблицы, наибольшую близость с точки зрения распределения энергий к кривой видности глаза проявляет солнечный свет (рис. 9). Это говорит о том, что он содержит все компоненты излучения, которые глаз способен увидеть, и именно с нужной интенсивностью. Поэтому на всех участках видимого диапазона у него имеется высокий процент соответствия энергий У(Х).

Лампа накаливания, «недобирает» практически половину диапазона и это хорошо заметно на рисунке 4, где приведено спектральное распределение излучения галогенной лампы. Металлогалогенная лампа (рис. 3) имеет высокий индекс цветопередачи только благодаря тому, что обладает довольно равномерным, хотя и низким по весовой доле распределением энергий во всем диапазоне. Большое отличие ее излучения от солнечного, близкого по цветовой температуре, состоит в очень узких пиках высокой интенсивности, вместе с тем обладающих малой интегральной энергией, что видно по данным таблицы. Такое же положение дел имеется и у люминесцентных (индукционных) ламп (рис. 1, 5), спектр которых еще скуднее и на количество пиков (полос), и по распределению их относительно У(^).

Однако, самую «плохую» позицию с точки энергетики, воспринимаемой глазом, занимает натриевая лампа ДНат (рис. 6), которая из-за своего спектрального состава излучения вообще не может быть приписана к белому

105

цвету, и поэтому ее нельзя адекватно сравнить с приведенными примерами, однако именно желтый свет от спектральных линий натрия наиболее популярен у нас на улицах.

сст 6261К

CRI 98

ШХ 17380

Хр 460 nm

I-Time 25 ms

Хр 460nm

' {

ш

Рис. 9. Характеристика спектрального распределения солнечного света. Воронеж, 21 июля 2014 г. 10 ч. утра

г-¥-г '(> t

f ' [/ ]

i f;: / т

зам комфорт«

1 § / i

_____- 1

if

; j 1

Рис. 10. Комфортность освещения по Kruithof

Имея высокий показатель эффективности, свет от ДНат экономически выгоден, однако, следует помнить, что при этом он имеет минимальный коэффициент цветопередачи Ra (если вообще можно применять к такому спектру этот параметр). А по колориметрическим показателям свет от ДНат попадает промежуток между характеристиками чувствительности красных и зеленых колбочек человеческого глаза, почему для равенства восприятия с излучением белого цвета, больше заполняющего интеграл относительно V(X), и требуется его большая интенсивность, а значит, и потребление энергии. Иными словами, чтобы одинаково верно распознать некий объект, освещаемый лампой ДНат и, например, белым светодиодом, последнему потребуется создать на объекте существенно (в несколько раз) меньшую освещенность, чем ДНат. Причина одна: в заполненности спектров излучения относительно V(X) [1].

Что касается комфортности восприятия человеческим глазом искусственного света, то подобные исследования проводились еще в начале 40 годов прошлого века фирмой Philips. Arie Andries Kruithof, который работал в этой компании, провёл исследования о том, как человеческий глаз относится к освещённости при различной цветовой температуре источника света (рис.10). По оси абсцисс на этом графике отложена цветовая температура источника света, а по оси ординат - освещенность в люксах. Зона комфортности лежит лишь в узкой полосе между зонами недостатка света - снизу, и излишней яркости сверху. Ниже приведены примерные зоны комфортного восприятия человеческим глазом источников света различной цветовой температуры в зависимости от уровня освещенности.

Цветовая температура Освещенность, люкс

3500 К 194-2,153

4100 К 240-16,147

4700 К 290-50,000+

5000 К 430-50,000+

Следует признать, что при нормах освещенности для наших улиц (о них мы говорили выше) цветовая температура источников искусственного света не должна превышать границы 3500-4000 К, что бы находиться в зоне комфортного восприятия.

Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что полупроводниковый свет на основе белых светодиодов, используемый для освещения, не только достиг своей эффективности относительно существующих видов ламп (включая индукционные), но и превосходит их в части комфортности восприятия человеческим глазом, при условии соблюдения требований по их цветовой температуре.

Медицинские аспекты искусственного освещения

Более 90 % информации об окружающей среде человек получает посредством зрения, но важность света для живых организмов не ограничивается приносимой им зрительной информацией: с ним связаны ещё и так называемые невизуальные эффекты. Мы получаем зрительную информацию через посредство рецепторов - палочек и колбочек. Зоны комфорта, которые известны уже давно, тогда как невизуальную информацию наше тело получает через посредство так называемых «рецепторов третьего рода». Эти фоторецепторы третьего рода или светочувствительные ганглионарные клетки сетчатки содержат светочувствительный фермент меланопсин и по каналу связи между сетчаткой и гипоталамусом посылают информацию о свете в расположенное в гипоталамусе супрахиазмальное ядро. Чередование циклов света и темноты, воспринимаемое телом млекопитающего через глаза, влияет на функционирование супрахиазмального ядра и вызывает циклическую секрецию мелатонина шишковидной железой. Фактически, у всех организмов уровень мелатонина высок ночью и низок в дневное время (рис. 11). Поэтому этот гормон часто называют гормоном сна (sleep hormone). В простейшем представлении биологическое действие заключается в том, что сильное освещение подавляет секрецию мелатонина, вызывая состояние активности, а слабая освещённость или её отсутствие способствуют выработке мелатонина, приводя к состоянию расслабления и сна. Для примера, разница в концентрации мелатонина в крови спящего и бодрствующего ребёнка достигает 40 крат.

Биоритмы человека регулируются гормонами. Наиболее важными в этом отношении гормонами являются мелатонин и кортизол. Кортизол влияет на многие функции нашего тела, в частности, на метаболизм и иммунитет. Концентрация кортизола максимальна утром, в периоды наибольшей занятости и в стрессовых ситуациях. Этот гормон часто называют гормоном стресса (stress hormone). Выделение гормонов «синхронизировано» со светом, который ежедневно воздействует на человека. Если в глаза человека в нужный момент не поступает требуемое количество имеющего определённый цвет света, то это может привести к десинхронизации биоритмов, которая на первых порах проявляется в виде бессонницы, усталости и перепадов настроения, а

впоследствии может привести к хроническим заболеваниям. Мелатонин - это характерный для человека гормон. Он участвует в протекании цикла сон-бодрствование, вызывая сонливость и уменьшая температуру тела. Известно, что, помимо прочего, мелатонин препятствует повреждению ДНК присутствующими в телах всех млекопитающих канцерогенными веществами, останавливая действие приводящих к образованию раковых опухолей механизмов. Недостаток мелатонина во время сна увеличивает вероятность заболевания раком молочной железы, раком предстательной железы и раком толстой кишки и вызывает нарушение циркадных ритмов (биоритмов), что может послужить причиной бессонницы, депрессии, ожирения и диабета второго типа. Множественная совокупность биологических и медицинских данных свидетельствует о том, что фототоксичные эффекты сине-голубого света являются кумулятивными и приводят к медленному необратимому падению зрительных функций. К настоящему моменту в мировой литературе накопилось до 1000 офтальмологических публикаций о конкретных механизмах этой «сине-голубой» опасности, подтверждающих её серьезность в провоцировании необратимых возрастных потерь зрения. Особой опасности подвергаются дети - хрусталики их глаз практически вдвое прозрачнее в сине-голубой области спектра, чем хрусталики взрослых людей. Соответственно, риск фотоповреждения детских глаз минимум вдвое выше, чем глаз взрослых людей. Крупнейшие американские эпидемиологические исследования показывают, что ежедневное дополнительное воздействие синего света на глаза молодого человека в подростковом возрасте к тридцати годам вызывает начало дегенерации сетчатки (AMD) на 10 лет раньше, чем она возникает от естественного света. Это увеличивает в два раза вероятность стать слепым. Базовая длина волны для белого светодиода 460 нм оказывает на глаза и здоровье человека специфическое воздействие и является для него одной из основных частот. Именно на этой длине электромагнитного излучения биоритмы человека синхронизированы с солнцем (с циклами: день, ночь). Это обусловлено тем, что в течение дня меняется спектральный состав света и самые большие изменения происходят в области 455-465 нм. Лампы, применяемые для искусственного освещения (кроме, естественно, ДНат) имеют в своем спектре значительную долю синего света. Учитывая это и, в связи с планами массового использования светодиодных и индукционных осветительных приборов, вопрос влияния доли синего в спектре света на здоровье человека становится всё более актуальным. Значимость этой проблемы усиливается и по мере лавинного увеличения интенсивности излучения белых светодиодов с высокой цветовой температурой (холодный белый 5000-7000 К), которые имеют высокую эффективность лм/Вт, и, как следствие, большую долю синего в спектре (рис. 12, 13). Добавим также, что и лампы ДРЛ и Люминесцентные Лампы имеют значительное превышение доли синей составляющей спектра (рис. 12).

Рис. 11. Изменение концентрации мелатонина и кортизола на протяжении суточного цикла человека

Рис. 12. Относительное влияние в % различных источников света на выработку мелатонина. За эталон ВюЕд 100 % принята лампа накаливания

сст 2832 К

см 81

шх 8741

Хр 605 nm

сст 7874 К

сш 74

шх 34

Хр 445 nm

l-Tlme

Хр

34 ms 605 nm

90 «0 С0 5Ю ;

!-Time Хр

Ю00 ms 445 nm

ССТ 3965 К

сш 82

шх 318

Хр 452 nm

l-Time Ю00 ms Хр 452 nm

СТО «OSO ífiDfitl бВОП

Рис. 13. Спектральные характеристики различных источников света: Светодиоды (СД) 2832К, СД 3965К, СД 7874К, Индукционная лампа 4511К

Здесь нужно отметить, что превалирующие на нашем рынке светодиоды, применяемые в лампах для ночного освещения улиц имеют цветовую температуру 5000-7000 К (некоторые китайские светильники - до 11000 К), что, согласно гистограмме, приведенной на рисунке 12 в 3-4 раза превышает допустимую норму облучения человека синим светом в ночное время. Приемлемыми для освещения в темное время суток следует признать светодиодные светильники с цветовой температурой не выше 4000 К.

Реальная степень угрозы передозировки облучением холодно-белым светом люминофорных СД остаётся предметом активных дискуссий и требует дальнейших медико-биологических исследований. Однако и сейчас, до получения общепризнанных медицинских выводов по указанной проблеме, важно проявлять предусмотрительность и осторожность в выборе характера освещения и, по крайней мере, ограничивать применение СД холодно-белого света в детских и лечебных учреждениях, а также при работе в вечернее и ночное время [2-5].

Светодиодные светильники. Как не потеряться в многообразии.

Не будем в рамках этого небольшого исследования обращаться к достоинствам и недостаткам светодиодного освещения. Поговорим об особенностях их эксплуатации, часто диктуемых физикой проистекающих в

них процессов.

Не все светодиодные светильники одинаково хороши как для основной функции - освещения, так и для человеческих глаз. Об этом можно судить хотя бы по разбросу цен на рынке - от бросовых, до заоблачных. И это, отнюдь, не прихоть продавцов. Отрасль развивается настолько стремительно, что на рынке одновременно можно встретить светильники со светодиодами, выпущенными с трех-четырех летней разницей, но различающихся по своим характеристикам (светотехническим и экологическим) и, как следствие, ценам на порядки. И это всего лишь один из аспектов. Светодиодный светильник это сложный свето- и, в первую очередь, тепло-технический прибор. Лишь 20 % потребляемой мощности преобразуется в свет, остальные 80 % выделяются в виде теплоты, которую необходимо как можно более качественно отвести от светодиода. Ведь именно условия тепловой эксплуатации светодиода напрямую влияют на степень и скорость его деградации, которая неминуемо ведет к падению его излучения и выходу из строя. Светильники отличаются по мощности и количеству используемых светодиодов. Идеальным с точки зрения теплотехники был бы светильник, в котором по всей излучающей поверхности было бы разбросано множество мельчайших светодиодов. Однако, при этом решении очень сложно получить направленный поток света, необходимый для освещения даже на небольшом расстоянии. Поэтому конструирование светодиодных светильников - это баланс между светом и теплом.

Еще одной особенностью светодиода является тот факт, делающий светодиод уникальным светотехническим прибором, - светодиод излучает свет в одну полусферу. Вследствие чего, при прочих равных условиях он эффективнее ламп, выделяющих свет вокруг себя. Для еще более эффективного использования светового излучения светодиода, подавляющее большинство производителей используют собирающие линзы.

Именно это техническое решение, диктуемое производителями светодиодов, кочует из изделия в изделие, от производителя к производителю. Однако использование накладных линз на светодиодах дает несколько побочных эффектов, зачастую нивелирующих всю свою пользу:

- высокая стоимость (сопоставимая или превосходящая стоимость самого светодиода);

- линза выполнена из оптически прозрачного поликарбоната, который под воздействием тепла, передаваемого теплопередачей от самого светодиода, плюс, добавленного тепла от синего спектра излучения светодиода - 460 нм (рис. 13) (могущих в сумме достигать 150-190 градусов) мутнеет сама, уменьшая световой поток и заставляет светодиод работать в некомфортных тепловых режимах, что значительно сокращает его срок службы;

- из-за воздушной прослойки между накладной линзой и светодиодом при неблагоприятных климатических условиях конденсируется влага, отрицательно влияющая на его излучающую способность;

- «эффект сварки» - интенсивный направленный свет сфокусированный линзой может вызвать ожог сетчатки глаза;

- даже новая линза задерживает до 20 % испускаемого светодиодом света, сразу снижая эффективность нового светильника, оснащенного ими.

Однако, можно избежать или значительно сократить перечисленные отрицательные эффекты линзованных светодиодных светильников применив рефлекторную безлинзовую оптическую систему. Оптическая задача в которых решена с помощью математически спрофилированного алюминиевого рефлектора, с нанесенным на него керамическим светоотражающим покрытием. Подобное решение позволяет избежать излишнего перегрева светодиода, как это было бы в случае линзованного, и дать направленный диффузный неослепляющий свет, тем самым обеспечивая как простоту конструкции, так и решение серьезной технической задачи о создании комфортного и безопасного освещения в сочетании с долговечностью и надежностью светильника.

В качестве заключения можно сделать следующие выводы:

1. Для создания энергоэффективной системы мало лишь заменить световые приборы. Необходимо создать интеллектуальную энергосберегающую систему управления освещением, с дистанционным контролем параметров освещенности/движения с обратной связью и интеллектуальных светильников, обладающих возможностью регулирования яркости свечения.

2. Рынок наводнен энергосберегающими светильниками с опасными для человека характеристиками. Производители умалчивают об осторожности в их применении, гонясь за повышением удельных характеристик (лм/вт, максимальной воспринимаемой яркостью - 6000 К и т.д.).

3. Светодиодные светильники для освещения улиц в темное время суток не должны превышать по цветовой температуре порога в 4000 К и обладать минимальным слепящим эффектом.

Список использованной литературы

1. Никифоров С. Реальный цвет и виртуальный индекс его передачи. «Полупроводниковая светотехника», 2010. - № 2.

2. Бижак Г., Кобав М.Б. Спектры излучения светодиодов и спектр действия для подавления секреции мелатонина «СВЕТОТЕХНИКА», 2012. -№ 3.

3. Аладов А.В., Закгейм А.Л., Мизеов М.Н., Черняков А.Е. О биологическом эквиваленте излучения светодиодных и традиционных источников света с цветовой температурой 1800-10000 К. «СВЕТОТЕХНИКА», 2012. - № 3.

4. Зак П.П., Островский М.А. Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков. «СВЕТОТЕХНИКА», 2012. - № 3.

5. Дайнего В. Выбор концепции построения безопасной и энергосберегающей системы освещения. «Кабель-news», 2012. - № 2.