Современные проблемы производства энергоэффективных систем освещения

УДК 621.321

А.В. Бозриков, В.С. Алексеев, И.Н. Антонов

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ

СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ

Paссмотрены проблемы производства энергоэффективных систем освещения и пути их решения, преимущества и недостатки светодиодных систем освещения по сравнению с другими источниками освещения, а также математическое моделирование тепловых процессов, происходящих в светодиодной лампе.

Энергоэффективность, светодиодная лампа, тепловые процессы, математическое моделирование

A.V. Bozrikov, V.S. Alekseev, I.N. Antonov

MODERN PROBLEMS OF PRODUCTION ENERGY EFFICIENT LIGHTING

SYSTEMS

The article are considered the problem of production of energy efficient lighting systems and their solution, advantages and disadvantages of LED lighting systems as compared to other light sources, as well as mathematical modeling of thermal processes occurring in the LED lamps.

Energy efficiency, LED light, thermal processes, mathematical modeling

Изменение экологического мышления и восстановление чистоты окружающей среды являются важнейшими приоритетами современного общества. Энергоэффективность - одно из стратегических направлений приоритетного технологического развития экономики России. Сокращение потребления электроэнергии - это путь к модернизации страны.

Светодиодное освещение — одно из перспективных направлений энергосберегающих технологий, основанное на использовании светодиодов в качестве источника света. Разрабо-

таны так называемые сверхъяркие светодиоды, специально предназначенные для искусственного освещения.

Светодиодные технологии освещения благодаря эффективному расходу электроэнергии и простоте конструкции нашли широкое применение в светильниках, прожекторах, светодиодных лентах, декоративной светотехнике и даже в компактных осветительных приборах. С большим оптимизмом можно говорить о зимнем уличном освещении и конкуренции с дорогими морозоустойчивыми люминесцентными лампами. Также оправдано применение светодиодов в светофорах, рекламных конструкциях и т.п.

Надёжность светодиодных источников света позволяет использовать их в труднодоступных для частой замены местах (встроенное потолочное освещение, внутри натяжных потолков и т.д.).

В сравнении с обычными лампами накаливания и люминесцентными лампами светодиоды обладают многими преимуществами:

1. Экономично используют электроэнергию по сравнению с традиционными лампами накаливания. Так, световая отдача светодиодных систем уличного освещения с резонансным источником питания достигает 132 люменов на ватт и сравнима с отдачей (150 люменов на ватт) натриевых газоразрядных ламп. Обычные лампы накаливания имеют световую отдачу 15 люменов на ватт, люминесцентные лампы - 80-100 люменов на ватт. [1]

2. Срок службы в 30 раз больше по сравнению с лампами накаливания.

3. Возможность получать различные спектральные характеристики без применения светофильтров (как в случае ламп накаливания).

4. Безопасность использования.

5. Малые размеры.

6. Отсутствие ртутных паров (в сравнении с люминесцентными лампами).

7. Малое ультрафиолетовое излучение и малое инфракрасное излучение.

8. Незначительное относительное тепловыделение (для маломощных устройств).

9. Более высокая механическая прочность.

10. Светодиодные лампы защищены от понижения температуры воздуха в помещении. Даже когда температура воздуха низкая, светодиодные лампы включаются без промедления и работают эффективно.

11. В отличие от люминесцентных ламп светодиодные светильники работают бесшумно.

Недостатки светодиодных ламп:

1. Основной недостаток - высокая цена. Отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50-100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания.

2. Низкая предельная температура: мощные осветительные светодиоды требуют внешнего теплообменного аппарата (радиатора) для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности.

3. Для питания светодиодов от питающей сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока с радиатором, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты.

4. Высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты.

5. Массовые светодиоды имеют светоотдачу 40-50 лм/Вт.

6. Спектр излучения отличается от солнечного [1].

Стоит отметить, из чего складывается высокая стоимость любой светодиодной лампы. КПД обычной лампы накаливания не превышает 5%, поэтому во многих развитых странах, в том числе и в России, постепенно запрещаются лампы накаливания ввиду их низкой энергоэффективности. В качестве альтернативы предлагаются компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), у которых КПД достигает приблизительно 20%. К тому же цена таких ламп в нашей стране в среднем составляет 300-400 рублей, снижение которой возможно лишь за счет уменьшения их надежности. К тому же очень остро стоит вопрос утилизации КЛЛ, от-

работавших свой ресурс. В отличие от таких ламп светодиодные не требуют специальной утилизации и КПД такой лампы более 50%.

Очевидно, что высокая стоимость светодиодных ламп - это прямое следствие их достоинств, перечисленных выше. Единственным фактором для снижения стоимости светодиодных ламп в нашей стране является оптимизация производства светодиодных светильников с упором на высокое качество и как можно более доступные цены. Но в настоящее время в этой отрасли существуют следующие проблемы:

- в России нет конкурентоспособного производства светодиодов,

- практически полное отсутствие производства микросхем для питания светодиодов,

- недостаточная ориентация продуктов производства на массового потребителя (необходимо выпускать недорогие бытовые светодиодные лампы взамен ламп накаливания с цоколем Е27, Е14 и люминесцентных типа Т5 и Т8).

Тем не менее существенно снизить стоимость любого светодиодного светильника можно уже сейчас за счет разных вариантов исполнения их конструкции:

1. Вместо дорогих импортных стабилизаторов тока применять универсальные источники питания, которые будут производиться в нашей стране и иметь более низкую цену.

2. Использование более дешевых материалов и технологий отвода тепла от светодиодов вместо обычно применяющихся сейчас алюминиевых радиаторов возможно использование:

- керамики для отвода тепла;

- особенностей конструкции конкретного типа лампы, позволяющих лучше рассеивать тепло;

- термоэлектрических модулей в конструкциях светодиодных ламп, которые являются довольно перспективным направлением в вопросе охлаждения сверхмощных светодиодных прожекторов и ламп.

Для решения проблем конструктивного исполнения светодиодных светильников необходим анализ тепловых процессов, происходящих внутри лампы, так как они являются основными факторами, влияющими на ресурс работы светодиодов. Основным вопросом проектирования светодиодных ламп является проблема теплоотвода, который влияет на номинальный режим работы светодиодов и от которого зависит их срок службы. Для исследования данных тепловых процессов используется математическое моделирование в программной среде Е1с1й [3].

а) б)

Рис. 1. Размещение светодиодов в светодиодной лампе: а - без применения пассивного охлаждения; б - с пассивным охлаждением

Математическая модель этих процессов при данной конструкции лампы (38 E27 Warm White LED Energy Saving Light Bulb, 200-240V) (рис. 1) описывается уравнением теплопроводности (1) и следующими начальными (2) и граничными (3) условиями [2].

В ходе моделирования были приняты следующие допущения:

1) не учитывались тепловые потери источника питания лампы;

2) время беспрерывной работы в моделируемом процессе - 12 ч.

эт ^ ^ ^Л

дт

= a

д2 т э^т

дх2 ду'

+

qv

ср

Т

Эх

=0

к Ш = “

, ЭТ іи !

А--------= а81 = —

дп 481 Я

где Т = Т(х, у, т) - распределение температурного поля с течением времени; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); qv - внутренний источник тепла, Вт/м ; с - теплоемкость, Дж/(кг-К); р - плотность материала, кг/м3; Т0 - начальная температура тела, К; т - время, с; qsi - плотность теплового потока на 1-й поверхности материала, Вт/м ; I - сила тока, А; и -напряжение, В.

В ходе моделирования были использованы светодиоды со следующими характеристиками:

1) постоянный прямой ток: 30 мА;

2) обратное напряжение: 3 В;

3) диапазон рабочих температур: -35.. .+100° С.

Математическое моделирование процесса теплопередачи в светодиодной лампе показывает распределения температурных полей, представленные на рис. 2.

Рис. 2. Распределение температурного поля в светодиодной лампе: а - без применения пассивного охлаждения; б - с пассивным охлаждением

Анализ распределения температурного поля в светодиодной лампе позволяет сделать определенный вывод, что использование пластины из алюминия дает понижение максимальной температуры на 37 К по отношению к случаю, когда корпус полностью сделан из пластика, и светодиоды размещены на печатной плате без применения пассивного охлаждения (рис. 2а), и, тем самым, позволяет не использовать дополнительные пассивные теплообменные аппараты (радиаторы), а делать их частью корпуса и более простой конфигурации, что существенно удешевляет конструкцию светодиодных ламп.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агафонов Д.Р. Вопросы конструирования и производства светоизлучающих диодов и систем на их основе / Д.Р. Агафонов, П.П. Аникин, С.Г. Никифоров // Светотехника. 2002. №6. С. 6-11.

2. Исаченко В. П. Теплопередача: учеб. для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел; 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.

3. БЬСиТ. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 4.2: рук-во пользователя. СПб.: Произв. кооператив ТОР, 2000. 130 с.

0

BIBLIOGRAPHY

1. Agafonov D.R. Questions of designing and manufacture light radiating diodes and systems on their basis / D.R.Agafonov, P.P.Anikin, S.G.Nikiforov // Light engineering. 2002. №6. With. 6-11.

2. Isachenko V.P. Heat transfer: the textbook for high schools / V.P.Isachenko, V.A.Osipov, A.S.Sukomel; the edition. 3, adv. and add. M.: Energy, 1975.488 with.

3. ELCUT. Modelling of bidimentional fields by a method of final elements. Version 4.2: hands-in of the user. SPb.: Production co-operative TOR, 2000.130 with.

Бозриков Алексей Васильевич -

студент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки

и системы» Саратовского государственного технического университета Алексеев Вадим Сергеевич -ассистент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки

и системы» Саратовского государственного технического университета Антонов Игорь Николаевич -доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета

Bozrikov Aleksey Vasilyevich -

Student of the Department of «Automated Electrical-Technological Plants and Systems» of Saratov State Technical University

Alekseyev Vadim Sergeyevich -

Junior Research Staff Member of the Department of «Automated Electrical-Technological Plants and Systems» of Saratov State Technical University Antonov Igor Nicolaevich -Doctor of Technical Science, Professor of the Department of «Automated Electrical-Technological Plants and Systems» of Saratov State Technical University