Сравнение характеристик полупроводниковых и традиционных источников света

Крымов А. В.,Никитин В. Д., Завей-Борода В. Р.

Проанализированы утверждения в печати о преимуществах светодиодов. Оценена целесообразность применения светодиодов в наружных осветительных установках. Рассчитана стоимость единицы световой энергии для мощных белых светодиодов.Предложена формула для оценки стоимости единицы световой энергии в функции тарифа.

1. Полупроводниковые источники света

Светодиодная промышленность как отрасль светотехники быстро развивается и обладает большими перспективами.Тенденция развития световой отдачи светодиодов(СД)на фоне ЛЛ и МГЛ представлена в [1]. В табл. 1 приведены значения световой отдачи (ηv) и срока службы (τ) для различных источников света (ИС);данные для СД по [2] – «проблемные».

Таблица 1.Традиционные ИСи СД

Лампы	ЛОН	ГЛН	КЛЛ	ЛЛЛ	ДРЛ	МГЛ	ДНаТ	ДКсТ	СД
ηv, лм/Вт	8…18	16…22	50…70	60…100	40…60	60…100	90…130	20…45	100
τ, тыс. ч.	1	2	8…12	12…18	12…20	10…15	12…18	0,8…1,6	До 100
ηv∙τ, клм∙ч./Вт	8…18	32…44	400…840	720…1800	480…1200	600…1500	1080…2340	16…72	До 10000

На рынке СД наряду с изделиями известных, мирового уровня, производителей появилось много активно рекламируемой продукции фирм, созданных недавно.В табл. 2 представлены: анализ (на основе [3]) утверждений, касающихся достоинств СД;в квадратных скобках –[комментарии]; характеристику составляют пункты 1.1–1.8; в пунктах 2.1–2.9 оцениваются экономические и иные параметры. Авторы признают спорность некоторых критических оценок в табл. 2.

Таблица 2. Оценка материалов в печати по освещению твердотельными ИС (фрагмент)

Заявленные показатели	Ситуация в действительности
I. Характеристика (основные показатели) СД
1.1. СД опередили другие ИС по ηv− превышает 100 лм/Вт. И с каждым годом она растет*	У коммерчески доступных СД белого света ηv существенно ниже, например, 30 лм/Вт. В отношении быстрого прогресса – утверждение справедливо
1.2. Срок службы τ=80…100 тыс. ч. [часто в форме: «гарантия срока службы − 20 лет»]	Эти цифры не подтверждены практикой: опыт эксплуатации световых приборов (СП) с СД невелик. Более осторожная оценка − 50 тыс. ч.
1.8. Устойчивость к перепадам напряжения [не уточняют: колебаниям, отклонениям?]	Зависит от качества блока питания. Сами СД очень чувствительны к качеству питания и выходят из строя при незначительных +U (U>Uном)
II. Экономические** и другие параметры СД
2.1.Экономия денежных средств с точки зрения энергопотребления	С рассматриваемыми СП экономию средств получить невозможно
2.2.В уличном освещении экономия электроэнергии 50% по сравнению с натриевыми лампами высокого давления	Данные СД-светильники не способны обеспечить заявленную экономию электроэнергии. Они (пока) энергетически затратнее современных СП с РЛ [см. табл. 3]
2.3.Срок окупаемости 3-4 года	Утверждение не имеет оснований
2.4. Универсальность применения в наружных осветительных установках	СП не обладает ни модульной конструкцией, ни адаптивной оптикой, необходимыми для универсальности
2.5.Реальная поддержка программ Правительства по внедрению нанотехнологий и по энергосбережению	Скорее верно обратное утверждение: бездумное внедрение подобных СД-светильников стало бы дискредитацией государственных программ по энерго- и ресурсосбережению

* Умалчивается, что обычно образцы – лабораторные, а излучение, часто, – (почти)монохроматическое.
** Наличие трех (по сути близких) оценок экономичности свидетельствует: достойного критерия не оказалось.

2. Анализ использования светодиодов в уличном и промышленном освещении и для освещения жилья

СП с СД и традиционными ИС для уличного и производственного освещения сравниваются в[3].Хотя и ведутся дискуссии о применении мощных СД в СП общего освещения, однако применение СД не носит массового характера. Конкретные примеры внедрения СД содержатся в табл. 3.

Таблица 3. Сравнение ОУ с полупроводниковыми (1,3) и разрядными (2,4) ИС в уличном и промышленном освещении

В уличном освещении СД-светильник LZ-40S, P=60Вт, Ф=6клм*, сравнивается со СП SGP070 с CosmopolisCPOP=60Вт, Ф=6,8клм*			В цехе длиной 60м, шириной 30м, h=8м при E=200лк, Кз=1,5 сравниваются СД-светильник LZ-40U и СП MPK110WB с 1xHPI-P400W-BU/745Р=400Вт
Параметры	ОУ1 с СД	ОУ2 с МГЛ	Параметры	ОУ3 с СД	ОУ4 с МГЛ
Высоташаг, м	9,024	8,040	Число СП	168	28
Lave, кд∙м-2	0,48	0,53	PИС(PИС+ПРА)Вт	90	400 (429)
Lmin/Lave	0,45	0,43	Ф∑Ф, клм	7,1431200*	32,5910*
TI, %	2,1	7,3	∑Р, кВт	15,12	12,01
Eh ave, лк	5,96	6,02	Emin/Eave/Emax	124/228/280	114/207/235
P, Вт∙м-1	2,5	1,5	Emin: Emax	0,44	0,49
Ф, клм∙м-1	0,25	0,17	W, Вт/м2	8,35	6,22(6,67)
Недостатки расчета – различия в световом поле, обусловленные исходными данными
ОУ1 и ОУ2 :E1≠E2, Lave1≠Lave2, Lmin1≠Lmin2			ОУ3иОУ4: Emin3≠Emin4, Eave 3≠Eave4, Emax3≠Emax4

*Данные о min, ave и max значениях яркости и освещенности без специальных процедур, обеспечивающих корректность сравнения, обесцениваются ввиду несовпадения исходных значений светового потока (6 6,8; 1200 910)

Оценим целесообразность использования СД в жилом секторе.В материалах [4] утверждается: при замене светильника НПО-22 (лампа накаливания (ЛН) Г220-100, Ф=1350 лм, …, τ=1000 ч.) на СД-светильник ДПБ42 (10СД 1Вт, Ф=700 лм, …, τ ≥50 тыс. ч.) только на электроэнергии экономится в каждой светоточке 630 р./год. Но результаты расчета – некорректны, поскольку носят случайный, по-существу, характер (а если взять ЛН иной мощности: Р=25–40–60–75 Вт?).Объективную экономическую характеристику ИС дает методика [5], позволяющая адекватно оценить сравниваемые лампы, для чего ИС приводятся (введением гипотетического значения мощности [5] или иным образом) к равным значениям светового потока. [В материалах [4] условие ФИС1=ФИС2 не соблюдалось; 1350:700≈2]. В данном случае предлагаем ввести в расчеты поправочные коэффициенты Ki, i=1,2…5, для корректировки мощности и стоимости.

При сравнении ЛН с СД:	При сравнении ЛЛ с СД:
К1=1,4∙1,35-1≈1,04 для ЛН; К2=2 для СД ввиду ФЛН=1350 лм≈2∙700 лм (1400 лм – поток двух СД-светильников)	К3=2 для СЛЛ (двухламповый СП) и К4=2,5 для РЛЛ (учтен КПРА= 1,25); К5=3 для СД ввиду Ф2ЛЛ=2∙1050 лм=3∙ФСД=2100 лм.

[Отметим «шероховатость»: прибор ЛПО2 18, но в пункте 2 таблицы 1[4] указана Р=2 20Вт.]

Значения параметров,поправочных коэффициентов к ним и расчеты показателей представлены в табл. 4 при значениях тарифаq=1,4−2,0−3,0 р./кВт∙ч.

Таблица 4. Исходные значения параметров, корректирующие коэффициенты к ним и сравнение экономических показателей ЛН и СД (результаты в скобках - ЛЛ и СД)

* По экспертной оценке авторов: стоимость самих СД не превышает 30% от 1500р. – стоимости готового изделия («в сборе»); полагаем, что производитель закладывает очень высокую норму прибыли на свои комплектующие.
**В формулах 3−5подстрочный индекс1 относится к ЛН (и ЛЛ), индекс 2 – к СД.

3. Оценка экономических показателей отечественных светодиодов

Расчет стоимости единицы световой энергии (ЕСЭ)G12[в рублях на люмен∙секунду или кратных величинах] представлен, например, в[6-8] Расчеты для ряда отечественных СД представлены в табл. 5, результаты даны на рис. 1; для сравнения на рис. 2 приведены значения G12 для ДНаТ и ДРИ (линии 1, 2). Из анализа рис. 1, 2 вытекают следствия 1 и 2.

Таблица 5. Расчет значений G12 для «мощных» белых СД отечественного производства (q = 1,80 р./кВт∙ч)

Фирма, адрес (срок службы τ)	Белые светодиоды	P, Вт	Ф, лм	ηv, лм/Вт	Cис, р.	G12, р./Млм∙ч
ООО «КТЛ», https://www.bright-leds.ru/page-power_led.html (τ=35 тыс.ч.)	KPWH-W080-Z1	1	110	110	138,2	52
	KPWH-W080-Z3	3	195	65	237,6	62,5
	KPWH-W080-Z5	5	300	60	354,8	63,8
	KPWH-1522-7	7	460	65,7	492	58
ООО «Микроэлектрони¬ка», https://www.microelectronica.ru/hb/hb_leds_powerw.html (τ=50 тыс.ч.)	E12PW6C	1	50	50	147	94,8
	S12N3W6C	3	120	40	230	93,3
	5VAM12DW6C	5	280	56	658	79
	10VAL12HW6C	10	450	45	1055 1)	86,9
	20VAL12HW6C	20	930	46,5	2015	82

Реально:
1)стоимость 1219 р.;
2)коммерческое предложение отсутствует.

Рис. 1. Зависимость стоимости ЕСЭ от мощности для отечественных СД

Следствие 1. Для отечественных СД – в отличие от ДНаТ и ДРИ – четкой зависимостиG12=G12(P) нет, и вместо линий, как на рис. 2, здесь − «облако точек», что обусловлено нестабильностью технологического процесса (и, как следствие, характеристик СД) и, особенно, произволом в ценообразовании. [Аналогичная ситуация, но с КЛЛ, была предметом исследования в [9]: «сделав товар“модным”», производители стали “задирать” отпускные цены].

Следствие 2. При высоких значениях комплексного показателя Ekh2(где E – освещенность, k – коэффициент запаса, h – расчетная высота), с учетом GСД>GДНаТ, МГЛ, будут особенно ощутимы преимущества “тяжелых”(с большими значениями {P, ηv} =>Ф) ИС; в настоящее время СД для “большого освещения” (при высоких E и h) пока экономически нецелесообразны. [Но в пользу СД могут быть иные доводы: эксплуатационные, по Ra, Kп, …; следует учитывать и стремительный (относительно других ИС) прогресс СД].

Поскольку в [4] дается суммарное значение стоимости СД и СП, предлагаем в этом случае модифицированную формулу:

где в третьем слагаемом: Сп – стоимость СП, t – число часов работы ОУ в год, T – срок службы СП (обычно 8 или 10 лет); стоимости ИС и СП СисСп полагаем равными 0,3�,7 от отпускной цены изделия. Фрагмент расчетов для трех значений q представлен в табл. 6.

Таблица 6. Расчет значений G′12для ряда СП [4] приq=var, τ=5 тыс.ч./год, T=8 лет (значения для СД ηv=70 лм/Вт и Ф=0,7 клм – проблемные)

Световой прибор	Источник света	ηv, лм/Вт	Ф, клм	τ, тыс. ч.	Стоимость изделий, р.		G′12, р/Млм∙ч при q, р./кВт∙ч, равном
					ИС	СП	1,4	2,0	3,0
НПО-22	Г220-100	13,5	1,35	1	6,76	134	108,7	153,1	227,2
ЛПО46-2 18	ЛБ20	42,4	2,12	12	2∙24	271	34,9	49	72,6
ДПБ42	СД 10x1	70	0,7	50	450	1050	32,9	41,5	55,7

4. Оценка экономических показателей светодиодов фирмы Cree

ЗначенияG12 для СД фирмы Cree даны в табл. 7 и на рис. 3; зависимость G12 от тариф аq = var дана на врезке рис. 3, штрихованные линии (2′, 3′ и 4′) строились по (8).Стилевое единство таблицы нарушено ради компактности: строки 3−25 транспонированы (из столбцов) и жестко фрагментированы.

Таблица 7.ЗначенияG12 для СД холодного белого света P=1 Вт (*P=4 Вт) фирмы Cree [12,13] (q=1,80 р./кВт∙ч, τ=50 тыс. ч.), а также значения W0 для расчетов по формуле (8).

1)Ф=370 лм;2)и3) будут использовано ниже; 4)Ф=430 лм.

По известным базовым значениям стоимости ЕСЭ (в табл. 7 – для q=1,80 р./кВт∙ч) можно легко и быстро найти ее значение для любого тарифа на электроэнергию (в обозначении Gq нижние подстрочные индексы 12 опущены, но подразумеваются). Алгоритм использует заранее вычисленное значение W0 (мощности, необходимой для генерирования 1 клм):

где W0 – находится в табл. 7, а приращение тарифа ∆q –как превышение над базовым (q=1,8) значением. Например, для СД *MCE4WT…K01 при q=2,07 и 3,4 р./кВт∙ч получим:

q=2,07 (∆q=2,07 – 1,8=0,27), Gq=2,07=49,84 + 10,81 ∙ 0,27=52,76

q=3,4 (∆q=3,4 – 1,8=1,6), Gq=3,4=49,84 + 10,81 ∙ 1,6=67,14

Рис. 3. Зависимость стоимости ЕСЭ от световой отдачи для СД фирмы Cree при q=1,80 р./кВт∙ч; на врезке - сравнение значенийG12 для СД XRC…01 при тарифеq=1,8−2,07−2,8−3,4 р./ кВт∙ч: линии 1–(2 и 2′)–(3 и 3′)–(4 и 4′).

Заключение

Формула (8): • делает прогноз значений Gq совсем простым; • пригодна для любых ИС (не обязательно СД); • работоспособна ввиду совпадения линий 2 и 2′, 3 и 3′, 4 и 4′; • позволяет выполнить и ретроспективный анализ. Хотя у некоторых СД ηv>100 лм/Вт, их широкому применению мешают экономические факторы,т.к. СД уступают: • мощным ДНаТ и ДРИ – по значениям G12 (табл. 6, 7; рис. 1, 3); • ЛОН и ЛЛЛ – по отношению стоимости к мощности (р./Вт) и к потребленной за срок службы энергии (р./МДж).

Выводы

1. Показана несостоятельность ряда утверждений в печати о достоинствах светодиодов;их недостатки производители смягчают либо вообще не упоминают. Приводимые фирмами экономические расчеты не всегда корректны.
2. Рассчитана стоимость единицы световой энергии для ряда источников света. В “большом освещении”использовать светодиоды пока нецелесообразно–уступают многим современным разрядным лампам. Светодиоды перспективны благодаря быстрому росту световой отдачи.
3. Предложена формула для оценки стоимости единицы световой энергии источников света (в частности, светодиодов) при любом тарифе на электроэнергию, если известна стоимость при базовом его значении.

Список литературы

1. Юнович А.Э. Современное состояние светодиодов и тенденции развития светодиодов и светодиодного освещения // Светотехника. – 2007.− №6.− С. 13−16.
2. Полищук А.Г. Новая серия светодиодов XR-E7090 компании Cree для общего освещения // Светотехника.– 2007.– №3.– С. 20–23.
3. Степанов В.Н. Комментарии по СД-светильникам производства компании «Церс Инжиниринг»[Электронный ресурс]. – режим доступа:https://forum.expertunion.ru/forum/showpost.php?p=7165&postcount=6. − 31.08.2009.
4. Сравнение светодиодных светильников ДВБ32с НПО-22 и ЛПО46.Рекламный проспект Красноярского филиала ФГУП «ПО УОМЗ» [Электронный ресурс]. – режим доступа: https://www.uomz.ru/index.php?page=products&pid=100210− 31.08.2009.
5. Никитин В.Д., Завей-Борода В.Р. Энергосбережение в осветительных установках// Матер. докл. 10-й Всероссийской научно-техн. конф. Томск: Изд-во ТПУ. – 2004. – С. 322–326.
6. Никитин В.Д. Энергосбережение: оценка экономичностиисточников света // В сб.: Матер. междунар. научно-техн. конф. «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы». Томск: Изд-во ТПУ. – 2003. – С. 297–299.
7. Матющенко А.А., Никитин В.Д.Сравнение экономических показателей ИС //6-ая междунар. светотехн. конф. − Калининград, Светлогорск, 19-21 сентября 2006. –М., 2006. – С. 85–86.
8. Дорофеева Д. Ю.,Трубач А.В., Никитин В.Д. Сравнение стоимости единицы световой энергии традиционных и полупроводниковых источников света // Сб. тез. докл. на научно-практ. конф. (13-я междунар. спец. выставка по светотехнике).–М.: ВИГМА. − 2007. − С. 15–17.
9. Никитин В. Д., Шаламова Ю.С., Матющенко А.А. Динамика стоимости единицы световой энергии как критерий научно-технического прогресса // Энергетика и энергосбережение: Приложение к «Вестнику КрасГАУ». Выпуск 3. Красноярск. – 2005. – С. 45−49.
10. Прайс-лист «Сибавтоматика+»[Электронный ресурс]. – режим доступа: https://www.sib-a.ru/UserFile/File/prais150609sait.rar. − 31.08.2009.
11. Прайс-лист «Galad»[Электронный ресурс]. – режим доступа:https://www.tdsvet.ru/files/galad_price.xls. − 31.08.2009.
12. Официальный дистрибьютор фирмыCree в РФ "НЕОН-ЭК"[Электронный ресурс]. – режим доступа: https://www.e-neon.ru/catalog/id/2059223. − 31.08.2009.
13. Компания «Золикс»[Электронный ресурс]. – режим доступа: https://www.zolix.ru/Cree.191.0.html. − 31.08.2009.

Метки: led, наука, светодиод, энергосбережение, энергоэффективность

Обсуждение

Добавить комментарий