Энергосайт

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭНЕРГЕТИКА №11, 2010 17

За и против использования достижений нанотехнологий в осветительных сетях жилищно-коммунального хозяйства

муниципалитета

Титова Г. Р., канд. техн. наук Московский энергетический институт (технический университет)

Рассмотрены вопросы применения светодиодных источников света для наружного освещения и освещения вспомогательных помещений в жилищно-коммунальном хозяйстве. Представлены достоинства и недостатки использования источников света, изготовленных по LED-технологиям, на шинах 0,4 кВ систем электроснабжения трансформаторных подстанций. Показано возможное влияние света на психологическое состояние человека.

Ключевые слова: LED-технологии, светодиодные источники света, жилищно-коммунальное хозяйство, белый свет, высшие гармонические составляющие по току, системы электроснабжения.

Применение нанотехнологий в жилищно-коммунальном комплексе России позволит ежегодно экономить примерно 18,3 млрд кВт • ч на внешнем освещении, 15,33 и 8,84 млрд кВт • ч — на внутреннем освещении соответственно административно-хозяйственных зданий и жилых строений, что составляет 3,8 % общего объема производства электроэнергии.

В настоящее время из-за низкой эффективности источников света и световых приборов удельный вес расхода электроэнергии на освещение в 1,5 раза выше, чем в западных странах. Основные причины этого — использование малоэффективных светильников с высокорасходными лампами, а также эксплуатация физически изношенных приборов, отражатели и рассеиватели которых имеют пониженные оптические характеристики.

Для решения указанных проблем необходимо усовершенствовать приборы освещения и стимулировать потребителей электроэнергии к применению LED-технологий. По мере их удешевления будут происходить масштабные перемены на светотехническом рынке изделий, в результате чего светодиодные источники света заменят традиционные (неоновые, гало-геновые и люминесцентные). Преимущества новых световых приборов:

большой срок службы — до 70 тыс. ч, что эквивалентно 25 годам работы в режиме реального городского освещения (за это время галогеновую лампу придется заменить примерно 100 раз, а металлогалогеновую — 30 раз). Такая продолжительность их эксплуатации обусловлена отсутствием нити накала ввиду нетепловой природы излучения света;

высокая экономичность энергопотребления (по сравнению с расходом электроэнергии светильниками на основе традиционных ламп оно меньше на 50 %);

экологическая безопасность и отсутствие необходимости утилизации;

антивандальность вследствие отсутствия стеклянной колбы и нити накала (или горелки), высокие механическая прочность, виброустойчивость и надежность;

повышенная контрастность света (в 400 раз больше, чем у газоразрядных ламп), благодаря которой значительно улучшаются четкость освещаемых объектов и цветопередача (ее индекс — 80-85) при, казалось бы, меньшей видимой яркости;

высокий показатель использования светового потока (100%, тогда как у стандартных уличных светильников 60 - 75 %);

идеальное формирование заданных диаграмм направленности светового потока мощными светодиодами, представляющими собой совершенные точечные источники света с встроенной корректирующей оптикой (задача, практически невыполнимая для других источников);

отсутствие вредного эффекта низкочастотных пульсаций (стробоскопического эффекта), свойственного люминесцентным и газоразрядным источникам света при питании на постоянном токе (они мерцают с различной частотой, что негативно влияет на нервную систему человека, повышая возбудимость и утомляемость);

постоянство светового потока светодиодов (как и естественного света солнца), благодаря чему обеспечивается психологический комфорт;

отсутствие опасности перегрузки электросетей в момент включения;

меньший (в 2,1 - 3,5 раза), чем у светильников с газоразрядными лампами, потребляемый ток;

возможность (в отличие от светильников с газоразрядной лампой) регулировки яркости (диммирование) за счет снижения питающего напряжения, при этом не изменяются спектральный состав излучения и цветопередача (для экономии электроэнергии СНиП 23-05-95, п. 7.44 допускает уменьшение в ночное время уровня освещенности на 30 - 50 %);

мгновенное зажигание при подаче питающего напряжения и независимость работоспособности от низких температур окружающего воздуха.

Недостатки светодиодных источников света: высокая цена (соотношение цена/люмен у сверхярких светодиодов в 50- 100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания);

необходимость обеспечения номинального рабочего тока (в отличие от ламп накаливания, где для каждого их вида строго нормировано питающее напряжение), в связи с чем возникает потребность в дополнительных электронных узлах (источниках тока), а это влияет на себестоимость системы освещения в целом. В самом простом случае — при небольшом токе — возможно подключение све-тодиода к источнику постоянного напряжения, но с использованием резистора;

необходимость обеспечения качества электроэнергии не только по напряжению, но и по току, так как ему пропорциональна яркость светодиода. Возможные изменения протекающего через светодиод прямого тока в первую очередь зависят от стабильности выходного напряжения блока питания (БП). В устройстве с большим количеством светодиодов, как правило, используется несколько БП, каждый из которых подключен к соответствующей их группе. Любое изменение выходных напряжений БП относительно друг друга значительно влияет на яркость групп светодиодов. С увеличением количества возрастает вероятность дрейфа выходного напряжения отдельного БП относительно установленного значения. Каждый соединитель и кабель, все точки соединения с землей влияют на значение падения напряжения на светодиоде, расположенном дальше от БП, чем на светодиоде, находящемся в непосредственной близости от него. В результате этого токи, протекающие через светодиоды, удаленные друг от друга, оказываются разными;

наличие полосового спектра излучения, как и у энергосберегающей лампы. Если какой-то цвет освещаемой обстановки попадает в провал полосы излучения, он воспринимается человеком как субъективно черный;

повышенное мерцание при питании переменным током;

излучение кратковременных помех и электрических шумов вследствие быстроты зажигания;

низкая предельная температура. Мощным осветительным светодиодам требуется внешний радиатор для охлаждения, так как из-за конструктивно неблагоприятного соотношения своих размеров (очень небольших) и выделяемой тепловой мощности они не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют (даже несмотря на более высокий КПД, чем у прочих ламп). Для осветительного светодиода мощностью 10 Вт необходимо иметь пассивный радиатор (без вентилятора) больших размеров, как у микропроцессора Pentium 4. Он не только удорожает конструкцию, но и с трудом может быть вписан в формат бытовых осветительных приборов;

влияние температуры окружающей среды. Неравномерность свечения может быть обусловлена неодинаковой температурой внутри корпуса устройства. Дело в том, что на силу света и длину волны светодиода влияет температура нагрева его колбы, которая может изменяться при нагреве корпуса на солнце или охлаждении на морозе;

индивидуальность характеристик светодиодов. На предприятиях светодиоды изготавливают партиями, причем их параметры в этих партиях значительно колеблются в зависимости от различных факторов. Готовую продукцию разделяют на группы, сортируя ее по силе света, длине волны и прямому напряжению (бины и ранги). Знание этих параметров помогает равномерно распределить светодиоды по всей площади поля при изготовлении больших экранов, поскольку невозможно гарантировать поставку всей партии светодиодов с одинаковым рангом по силе света и длине волны;

возможность отрицательного воздействия света на человека. Так, в диапазоне длин волн от 380 до 500 нм при высокой интенсивности он вызывает фотохимические процессы в глазах. Белый свет может варьироваться по цветовой температуре, а следовательно, изменяются и присутствующие в нем компоненты. Поэтому он также оказывает некоторые отрицательные биологические эффекты на организм человека, влияет на мозговую активность и активизирует автономные нервные функции;

генерация в сеть помех высшего порядка (до 33-й гармоники включительно), которые вступают в резонанс с помехами гармонических составляющих силовых трансформаторов. Если коэффициент загрузки трансформаторов мощностью более 10 MB • А приближается к 0,85-0,9, резонанс 11-й и 33-й гармоник приводит к их повреждению.

Сравнительный анализ технических и экономических достоинств и недостатков светодиодных источников света позволяет сделать вывод о целесообразности более детального изучения эксплуатационных, психологических, медицинских и экологических характеристик перед массовым внедрением энергосберегающих светильников на основе LED-технологии в существующую систему электроснабжения

муниципального хозяйства и отдельных объектов жилищно-коммунального хозяйства.