Энергоэффективные светильники: галоген, светодиоды, люмин...

Вопрос современного электроосвещения в рамках энергоэффективности - это,  прежде всего, применение осветительных приборов с низким потреблением энергии.

Энергосберегающее освещение :

• экономит потребление электроэнергии,
• экономит средства на электричество,
• способствует сокращению выбросов CO2 в атмосферу,
• является важным косвенным фактором улучшения экологии,
• является более жизнеспособной технологией, нежели обычные лампы накаливания (их требуется реже менять).

Электроосвещение жилых домов, общественных, промышленных зданий и наружное освещение требует существенного объема электроэнергии. По подсчетам специалистов, примерно 10 % потребляемой в домашних хозяйствах электроэнергии уходит на освещение, а в нежилых домах  этот показатель достигает 40%.

При этом исследования показали, что потребление энергии, в среднем, может быть сокращено: 

• в быту на 34%  
• у небольших потребителей на 22%  
• в транспорте на 24%  
• в промышленности на 13-33%

И такая серьезная экономия может быть достигнута за счет инвестирования в энергоэффективные системы освещения, за счет применения инновационных концепций освещения и использования современных светильников. 

Энергосберегающие светильники потребляют до 80 % меньше электроэнергии, а срок эксплуатации до 8 раз выше, чем у обычных ламп накаливания.

К энергоэффективным световым приборам можно отнести

• Галогенные лампы
• Люминесцентные лампы
• Светодиодные лампы     

Первыми  искусственными осветительными приборами, работа которых основывалась на  электрической энергии, можно считать  лампы накаливания. В 1809 году англичанин Деларю создает первую лампу накаливания, в которой используется платиновая спираль. 11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин запатентовал изобретение на нитевую лампу. Примерно в это же время американский изобретатель Томас Эдисон изобрёл патрон, цоколь и выключатель для ламп. В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей. Также в начале 20-ого века была решена проблема с быстрым испарением нити в вакууме. Американский ученый Ирвинг Ленгмюр придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

У привычной для нас лампы накаливания достаточно непродолжительный срок эксплуатации, низкая светоотдача и низкая энергоэффективностью. Фактически большая часть затрачиваемой электроэнергии  уходит в виде тепла в окружающую среду. Отчасти эти проблемы ученым удалось решить в конце 19 веке за счет добавления  в буферный газ паров галогенов (брома или йода). В результате срок жизни галогенных  ламп был продлен до 2000-4000 часов. За счёт теплопроводности была существенно уменьшена потеря энергии.  Новым направлением развития галогенных ламп стало «инфракрасное покрытие» (английское сокращение IRC).  На колбы IRC-галогенных наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. Потребление энергии снижается примерно на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой). 

Более эффективными по сравнению с IRC-галогенными лампами считаются лампы дневного света или люминесцентные лампы.

Прообразом современной  люминесцентной  лампы можно считать изобретение Генриха Гайсслера. В 1856 году ученый получил синее свечение от заполненной газом (парами ртути) трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. В 1926 году Эдмонд Джермер и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбужденной плазмой в более однородно белоцветной свет. Э. Джермер признан как изобретатель люминесцентной лампы. Получившаяся ртутная лампа низкого давления давала приемлемое количество света (4-6 лм/Вт), однако ее свет имел выраженный зеленоватый оттенок и, следовательно, плохую цветопередачу. Эта особенность связана с тем, что основная мощность излучения разряда сосредоточена в ультрафиолетовом спектре, не воспринимающемся человеческим глазом. Исправить положение удалось только с изобретением специальных веществ-"светосоставов" - люминофоров, способных преобразовывать невидимое ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Новый виток развития люминесцентных источников света низкого давления начался в 90-х годах XX в. с освоением технологии безэлектродных ламп. Их устройство аналогично традиционным люминесцентным лампам, однако свечение разряда вызывается не протекающим внутри колбы током, а внешним электромагнитным полем. Колба, таким образом, не содержит подверженных разрушению электродов и срок службы лампы намного увеличивается.

Кроме галогенных  ламп накаливания и люминесцентных ламп  энергоэффективной считается твердотельная лампа. В качестве источника света в такой лампе используется органические или полимерные светодиоды -твердые объекты. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра был получен в 1962 году в Университете Иллинойса группой ученных, которой руководил Ник Холоньяк.

В отличие от  галогенных и люминесцентных ламп, светодиодные светильники создают видимый свет, практически не нагреваясь, что значительно увеличивает их КПД.  

• Современная галогенная лампа при одинаковой мощности  дает больший световой поток, чем обычная лампа накаливания. Свет от галогенных ламп различной мощности - более естественный и яркий, а за счет конструкций с зеркальной поверхностью в лампе такой свет сконцентрирован и направлен. Подобная конструкция позволяет создавать различные эффекты в освещаемом помещении или на освещаемом объекте.  Галогенные лампы, как сетевого напряжения, так и низковольтные, получили широкое применение в быту и в функционально-декоративном освещении освещения коммерческих площадей.  

• Люминесцентные лампы применяются для общего освещения. За время существования люминесцентных ламп они стали основным источником света в освещении общественных зданий и сооружений, где основными требованиями являются большие световые потоки, разнообразие цветов и высокая энергоэффективность. Кроме этого, с появлением современных компактных люминесцентных ламп, предназначенных для установки в обычные патроны E27 или E14 вместо ламп накаливания, они стали завоёвывать популярность и в быту. Также применение электронных пускорегулирующих устройств (балластов) вместо традиционных электромагнитных позволяет ещё более улучшить характеристики люминесцентных ламп - избавиться от мерцания и гула, увеличить экономичность, повысить компактность. Температура поверхности большинства люминесцентных ламп не превышает 60°С, благодаря чему они допускают попадание воды на нагретую колбу, а это расширяет возможность применения лампы.

• Светодиодные лампы широко используются  для индикации и сигнализации в приборах различного назначения (электрощитах, пультах, в радиоэлектронной аппаратуре, бытовой технике и сигнализации). Общепринято сокращение для обозначения светодиодных технологий - LED - Light Emitting Diode.  Также светодиодные лампы повышенной яркости предназначены для местного освещения, световой сигнализации, декоративного освещения и оформления световых гирлянд, рекламных вывесок. На основе светодиодных ламп изготавливают прожекторы, предназначенные для местного освещения, подсветки рекламных щитов, архитектурной подсветки. Светодиодные уличные светильники предназначены для освещения улиц, площадей, дворов, а светодиодные заградительные огни предназначены для светового ограждения и маркировки высотных объектов, а так же для постоянного свечения на наземных объектах в качестве сигнального огня. Светодиодные лампы также используются для освещения подводной части бассейнов и других водных объектов. 

Сегодня активно разрабатываются и внедряются светодиодные лампы для обычного внутреннего освещения помещений. По мнению специалистов, будущее осветительных приборов, благодаря их яркости и энергоэкономичности, за светодиодными светильниками.

• Галогенные лампы представляют собой усовершенствованную разновидность обычных ламп накаливания, и свет в них также получается за счет накала тонкой вольфрамовой проволоки. Идея добавления в колбу лампы паров галогенных соединений для уменьшения почернения стекла была запатентована еще в конце XIX века. Полезный эффект достигался за счет того, что пары галогенов способны соединяться с испаряющимися частицами вольфрама, а затем под действием высокой температуры распадаться, возвращая вольфрам на спираль. Вылетающие с раскаленной спирали атомы вольфрама, таким образом, не долетали до стенок колбы лампы (за счет чего и снижалось почернение), а возвращались обратно химическим путем. Это явление получило название галогенного цикла.

Использование галогенного цикла позволяет увеличить срок службы лампы и вдвое повысить ее светоотдачу - до  20-25 лм/Вт. Регулирование светового потока сетевых галогенных  ламп осуществляется любыми стандартными светорегуляторами аналогично лампам накаливания, а возможность и способ регулирования низковольтных ламп полностью определяется типом трансформатора. 

• Люминесцентные лампы - газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда. Видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов. Повышение  эффективности люминофоров в свое время  способствовало  уменьшению размеров ламп. Если первые люминесцентные лампы имели диаметр разрядной трубки 38 мм, то у современных ламп T2 и T5 диаметр составляет лишь 7 и 16 мм соответственно. В зависимости от свойств люминофора его свечение может принимать практически любые оттенки, от насыщенного цветного до белого с любой цветовой температурой. Для того, чтобы подчеркнуть новизну люминесцентного освещения по сравнению с накальным, в первые годы потребители ламп "увлекались" лампами дневной цветности (Тцв = 5000 К и выше). За счет этого этот вид ламп получил свое расхожее наименование - "лампы дневного света". В профессиональной практике этот термин не прижился, так как лампа дневного света представляет собой лишь вариант люминесцентной лампы, наравне с лампами других оттенков свечения. Для включения ламп этого типа в сеть требуются устройства, ограничивающие их рабочий ток  - балласт и зажигающее устройство например, стартер. Для улучшения световых характеристик ламп, снижения веса питающей аппаратуры и совместимости с нестандартными сетями схема включения может содержать преобразователь напряжения и частоты (так называемый электронный балласт или пускорегулирующий аппарат). Давление паров ртути внутри лампы существенно зависит от температуры окружающей среды, и это накладывает серьезные ограничения на диапазон допустимых наружных температур. Люминесцентные лампы рассчитаны на так называемую оптимальную окружающую температуру, которая обычно совпадает с комнатной (18-25°С). При меньших или больших температурах светоотдача лампы падает. Если окружающая температура ниже +5°С, зажигание лампы вообще не гарантируется.

• Светодиодные лампы по принципу действия не относятся к традиционным источникам освещения - лампам накаливания или газоразрядным лампам. Принцип работы светодиодных источников света основан на явлении электролюминесценции - холодного свечения полупроводников при протекании тока. При радиотехнических исследованиях еще давно было отмечено это свечение, но сначала явлению не придали значения из-за небольшой яркости излучаемого света, а также небольшого спектра излучения, но в последнее время удалось получить источники различных цветов и высокой яркости. Первые светодиоды появились еще в период становления полупроводниковой техники (60-70-е годы XX в.). Существовавшие тогда технологии позволяли изготавливать небольшие кристаллы, дающие практически монохромный красный, желтый или зеленый свет. Отсутствие в спектре светодиодов синего света делало невозможным их использование для общего освещения. В таком виде они нашли широкое применение в качестве индикаторов. Решение проблемы синего света было найдено в середине 1990-х годов, когда одновременно были разработаны кристаллы синего свечения и люминофоры, преобразующие красный свет в синий. 

Появились белые и синие светодиоды; впервые серьезно стали говорить о светодиодных лампах как серьезной альтернативе всем существующим источникам света. Дело в том, что светодиоды практически не выделяют тепла и посторонних (несветовых) излучений, следовательно, имеют высокую светоотдачу. В них отсутствуют изнашивающиеся части (спирали, электроды и т.п.), а значит, срок службы может быть очень большим (до 100000 ч). Современные технологии позволяют делать светящиеся кристаллы размерами до 10 х 10 мм, а из них можно набирать линии, поверхности и тела любой формы. И, наконец, для своего включения светодиоды не требуют специальной аппаратуры, а значит, их применение просто и удобно. Первые образцы светильников со светодиодами уже свободно продаются, правда их цена пока соответствует новизне идеи и очень высока. Однако не исключено, что в ближайшие годы нас ждет своего рода "светодиодный бум". В первую очередь придется потесниться областям применения люминесцентных и компактных люминесцентных ламп.

Галогенные лампы

Номинальное напряжение осветительных галогенных ламп делится на две группы - низкое (до 24 В) или высокое (от 110 В). Согласно этому делению, различают соответственно галогенные лампы низкого и сетевого напряжения. Лампы низкого напряжения питаются от специальных трансформаторов. Выпускается большое количество низковольтных галогенных ламп различной формы, с различными рефлекторами, креплением нити накала и различной мощности (от 5 до 100 Вт).    

Общей чертой почти всех низковольтных галогенных осветительных ламп общего назначения является использование напряжения 12 В.

Люминесцентные лампы

По стандартам лампы дневного света разделяются на колбные и компактные.

Колбные лампы представляют собой лампы в виде стеклянной трубки.   Различаются по диаметру и по типу цоколя, имеют следующие обозначения:  T5 ((диаметр 5/8 дюйма=1.59 см),  T8 (диаметр 8/8 дюйма=2.54 см),  T10 (диаметр 10/8 дюйма=3.17 см)   и T12 (диаметр 12/8 дюйма=3.80 см)).

Лампы такого типа часто можно увидеть в промышленных помещениях, офисах, магазинах и т.д.

Компактные лампы представляют собой лампы с согнутой трубкой. Различаются по типу цоколя (G23, G24Q1, G24Q2, G24Q3). Выпускаются также лампы под стандартные патроны E27 и E14, что позволяет использовать их в обычных светильниках вместо ламп накаливания.

Преимуществом компактных ламп являются устойчивость к механическим повреждениям и небольшие размеры. Цокольные гнёзда для таких ламп очень просты для монтажа в обычные светильники, срок службы таких ламп составляет от 6000 до 15000 часов.

Светодиодные лампы и светильники, светодиодные модули

Светодиодные модули обладают рядом преимуществ, а именно легкостью и быстротой монтажа, а также высоким сроком службы. В связи с этим светодиодные модули используются в объектах наружной рекламы, а также для декоративного освещения интерьеров и ландшафтов. В соответствующем разделе Вы можете увидеть примеры применения данных модулей для светодиодной подсветки рекламных конструкций.

Преимущества использования светодиодных модулей в наружной рекламе очевидны и приносят ощутимый экономический эффект. Экономическое обоснование приведено в нашей новой презентации Энергосбережение в наружной рекламе.

Светодиодные лампы являются идеальным вариантом замены обычных ламп накаливания благодаря возможности использования светодиодов в лампах со стандартными размерами цоколей. Крайне высокое энергосбережение светодиодных ламп позволяет при создании элементов архитектурного освещения и ландшафтной подсветки получить оригинальные цветовые решения при минимальных затратах электроэнергии.

Люминесцентные лампы С точки зрения электротехники, люминесцентная лампа - устройство с отрицательным сопротивлением (чем больший ток через неё протекает, тем больше падает её сопротивление).   Поэтому при непосредственном подключении к электрической сети лампа очень быстро выйдет из строя из-за огромного тока, проходящего через неё. Чтобы предотвратить это, лампы подключают через специальное устройство (балласт).  В простейшем случае это может быть обычный резистор, однако в таком балласте теряется значительное количество энергии. Чтобы избежать этих потерь при питании ламп от сети переменного тока в качестве балласта может применяться реактивное сопротивление (конденсатор или катушка индуктивности). В настоящее время наибольшее распространение получили два типа балластов - электромагнитный и электронный.  

Светодиодные лампы являются идеальным вариантом замены обычных ламп накаливания благодаря возможности использования светодиодов в лампах со стандартными размерами цоколей. Крайне высокое энергосбережение светодиодных ламп позволяет при создании элементов архитектурного освещения и ландшафтной подсветки получить оригинальные цветовые решения при минимальных затратах электроэнергии. 

•Диоды очень дороги – действительно первоначальные вложения в диоды сегодня выше, чем в другие источники света, но это вложения, которые ведут к экономии. Окупаемость  диодных осветительных систем 1,5 – 6 лет, а срок их службы более 10 лет). Стоимость диодов очень быстро снижается.

•Диоды слепят глаза – это зависит от конструкции светильника, светильники Оптоган используют специальные диодные матрицы и рассеиватели, и в результате дают комфортный рассеянный свет

•Диоды дают ультрафиолетовый свет – это как раз проблема дешевых люминесцентных ламп и освещения предыдущего поколения. Излучение светодиодов максимально точно воспроизводит дневной солнечный спектр и не содержит ультрафиолетовых линий в отличие от люминесцентных ламп и тем самым оказывает положительное эмоциональное воздействие.

•Диоды не выносят холода  - диоды как раз горят ярче и дольше на морозе

•Диоды содержат вредные вещества (мышьяк) – диоды для освещения растят на сапфировой подложке, а не на Арсениде Галлия, и используют азотные газы, следовательно мышьяка и вредных веществ в них не содержится

•Диоды содержат драг-металлы (золото) – действительно для получения металлических контактов в диодах используется золото, однако его количество мизерное, один светодиод содержит менее 50 нанограмм золота, золотые проволочки, через которые диоды соединены электрически, весят менее 100 микрограмм на один чип, соответственно в самом мощном светильнике модельного ряда Оптоган (1000 диодов) общая сумма золота не превышает 0.1 грамма золота