Энергосбережение - одна из важнейших проблем современной светотехники

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ООО «ВНИСИ»

ЗАО «Московский дом света»

Энергосбережение - одна из важнейших проблем современной светотехники

Ю.Б. Айзенберг, профессор, д.т.н.,

главный научный сотрудник, генеральный директор

В серии наших статей по проблемам энергосбережения [1-4] были рассмотрены состояние дел в этой области и наиболее эффективные пути значительного снижения энергопотребления в осветительных установках, как России, так и ряда других технически передовых стран мира с позиций конца XX и самого начала XXI веков.

Вместе с тем за последние пять лет масштабы и темпы роста энергопотребления у нас в стране и в мире в целом резко возросли, а меры по энергосбережению в осветительных установках, где потребляется от 10 до 30% (США) всей генерируемой электроэнергии (ЭЭ), не приносят ещё ощутимых результатов.

В 2006 г. темпы роста потребления ЭЭ выросли у нас в стране в 2,5 раза и ожидается их дальнейший быстрый, рост, без которого невозможен прогресс народного хозяйства. Для обеспечения все возрастающих нужд страны пересмотрена программа ввода новых генерирующих мощностей и за 5 предстоящих лет должно быть введено уже не 23 тыс. МВт, как раньше планировалось, а 41 тыс. МВт [5] (при этом нельзя не отметить, что в Китае только в 2006 г. было введено 103 тыс. МВт мощностей!).

Тема энергообеспеченности становится столь определяющей, что нельзя не согласиться со знаменитым писателем-футурологом Артуром Кларком, который предрек, что в качестве единой мировой валюты будет киловатт-час [5].

Как известно, проблема энергосбережения тесно связана с другой всемирной проблемой - сохранением окружающей среды, которой наносится непоправимый вред выбросами в атмосферу при выработке ЭЭ на тепловых электростанциях [3,4].

Так что же выгоднее, создавать все большие генерирующие мощности или же снижать потребление ЭЭ за счёт применения современных средств и методов её использования? И, прежде всего, в светотехнических установках. Вероятно, истина лежит в разумном сочетании и того, и другого пути (с особым вниманием к повышению эффективности использования и экономии ЭЭ). При этом важно помнить, что на создание 1 кВт новых генерирующих мощностей необходимо затратить около 2000 долларов США, а на экономию 1 кВт мощности в системах освещения достаточно 200-250 долларов США.

Все программы энергосбережения в ОУ построены на расширении производства и использования компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) вместо ламп накаливания (ЛН) и электронных аппаратов (ЭПРА) для разрядных ламп (РЛ) вместо электромагнитных ПРА. Немаловажная роль при этом отводится массовому переходу на использование прямолинейных тонких ЛЛ типа Т5, имеющих существенно улучшенные параметры [7].

Достигнутые за последние годы результаты приведены в книге, опубликованной Internationale Energy Agency - IEA [6] и характеризуются приведёнными ниже данными табл. 1 и рис. 1,2.

В 2005 г. мировое потребление электроэнергии в осветительных установках составляло 2650 ТВт-ч. (19% глобального потребления ЭЭ - больше, чем дают атомные станции мира). При этом было генерировано 133 петалюменчасов (Плм-ч, т.е. 1015 лм-ч) световой энергии), что составляло в среднем около 20 мегалюмен-часов световой энергии на одного жителя Земли. В книге IE A было показано также, что одна четверть населения Земли использует для освещения жидкое топливо (в основном керосин). При этом диспропорция между светопотреблением в развитых и отсталых странах (рис. 1) крайне велика (США - 101 Млм-ч/чел.; Индия, Китай, страны Африки - 8-10 Млм-ч/чел.).

Полная стоимость освещения составляет 460 млрд. долларов США, т.е. больше 1% мирового валового продукта. При этом жилой сектор потребляет около 31% всей генерируемой ЭЭ.

Важно также иметь в виду, что в США и Европе в год покупается почти по миллиарду КЛЛ, в то время как парк действующих КЛЛ составляет около 3 и 2 млрд. соответственно.

В то же время в Европе ежегодно продаётся 2,1 млрд. ЛН, а их парк составляет 3,6-4,0 млрд. шт. [10].

осветительный энергосбережение жилой светотехнический

В табл. 1 приведены данные о годовом потреблении электро- и световой энергии, а также параметры осветительных установок жилых домов в ряде стран, объединяемых IEA. Из этой таблицы, а также из рис. 2, приведённого для осветительных установок коммерческих зданий (для США - в Калифорнии), хорошо видно, что средняя световая отдача для ламп, применяемых в жилье США, составляет всего 18 лм/Вт, в то время, как в коммерческих зданиях 50 лм/Вт. В Японии мы не наблюдаем такой огромной разницы: в жилье 49 лм/Вт. в коммерческих зданиях 65 лм/Вт. Это свидетельствует о широком использовании в жилых домах Америки неэффективных ЛН (по сравнению с Японией, где большинство жилищ оснащено светильниками с ЛЛ). В то же время коммерческие здания с крупными ОУ, оснащены несравненно лучше, в основном ЛЛ, и усреднённая световая отдача в них снижена по сравнению со световой отдачей самих ЛЛ, из-за достаточно широкого применения галогенных ЛН, в основном в светильниках акцентирующего и отраженного света.

Совершенно очевидно, что относительно низкая эффективность ОУ и недостаточное светообеспечение населения большинства стран мира определяется повсеместным использованием в жилье ламп накаливания -устаревших электрических источников света с КПД 5-8%, отметивших свой 125-летний юбилей [8] и сыгравших большую роль в развитии человечества. К сожалению, исследования в области ЛН не обещают заметного прогресса в ближайшее десятилетия. Для нашей страны этот вопрос остро актуален в связи с тем, что в жилом секторе, где по ориентировочной оценке используется не менее 350 млн. световых точек, абсолютное большинство (более 98%) это светильники с 1-5 ЛН в точке со средней мощностью каждой лампы 60 Вт.

На этом фоне в самое последнее время [9, 10] появился ряд публикаций, свидетельствующих о подготовке комплекса мероприятий по вытеснению со светотехнического рынка ЛН: по резкому сокращению (или даже прекращению) их производства и реализации. Так в Австралии [9] Правительство сделало заявление об исключении ЛН из обращения на протяжении 2008-2012 гг., что должно привести к сокращению выбросов вредных газов в атмосферу на 4 млн. т и значительной экономии ЭЭ.

Если все страны мира перейдут на применение КЛЛ вместо ЛН, то по оценкам IEA ежегодная потребность в ЭЭ может быть снижена на величину, эквивалентную более чем пяти ежегодным потребностям Австралии в ЭЭ. По тем же данным реально ожидать такой результат можно в течение ближайших 25 лет. Для выполнения этой программы в Австралии ведётся подготовка государственных стандартов, запрещающих применять для освещения источники света со световой отдачей ниже 20 лм/Вт. Одновременно согласуются действия государства и частных компаний для решения этой задачи.

Сколь значима эта проблема, свидетельствует проведённое под эгидой IEA совещание в Париже (26 февраля 2007 г.) на тему «Тенденции повышения качества КЛЛ и стратегия вытеснения ЛН» [10]. На этом совещании был проведён обмен опытом разных стран и континентов по разработке стратегии и тактики изъятия из производства и применения неэффективных ЛН и замены их на КЛЛ повышенного качества. Прежде всего, рассматривалась проблема трансформации рынка изделий для жилых помещений, в которых, например, в Европе, средняя световая отдача всех применяемых ламп составляет всего 23,7 лм/Вт. В США, хотя и используется, как отмечалось выше, значительное количество КЛЛ, доля ЛН на рынке источников света для быта составляет более 85% (включая галогенные лампы), 14% люминесцентные лампы и только 1% лампы высокого давления.

Комплекс возможных мер по массовой замене ЛН на КЛЛ подробно рассмотрен в [10]. Однако важно подчеркнуть, что одним из основных направлений является повышение качества и снижение цены самих КЛЛ, характеристики которых имеют в мире недопустимо большой разброс и недостаточную стабильность.

Таким образом, официальные круги и программы Green Light разных стран до сих пор делают основную ставку в деле повышения эффективности ОУ на интегральные КЛЛ со встроенным в цоколь ЭПРА.

Нельзя не признать, что с точки зрения степени подготовленности производства, рынка и самого потребителя КЛЛ являются на ближайшие 3-5 лет наиболее .реальным средством крупномасштабного энергосбережения.

Возможности и особенности КЛЛ были нами подробно рассмотрены в [2, 3] и здесь не анализируются. Вместе с тем, если говорить о более дальней перспективе, то все прогнозы, скорее всего, будут кардинально пересмотрены благодаря новейшим достижениям электроники, базирующимся на успехах нанотехнологий. Имеется в виду твердотельные источники света - светодиоды (СД).

Массовое применение СД открывает принципиально другой путь количественного и качественного изменения ситуации, бурный и неудержимый прогресс СД, как средства не только для световой сигнализации, местного и декоративного освещения, но и перспективного средства общего внутреннего и наружного освещения открывает другие горизонты благодаря комплексу их положительных свойств.

Непрерывный, чуть ли не экспоненциальный рост световой отдачи (рис. 3), укрупнение единичной мощности и освоение выпуска кластеров-блоков из нескольких светодиодов может уже в самое ближайшее время кардинально изменить ситуацию с энергосбережением в ОУ [11-14]. По оценке одного из самых крупных авторитетов мира в области светодиодов проф. С. Nakamura, высказанной в начале этого года на конференции по светодиодам в Сан-Франциско [11], массовое применение СД ближайшего будущего (со световой отдачей 150-200 лм/Вт) для общего освещения позволит в США снизить долю потребления ЭЭ в ОУ в 10 раз (с 30% до 3%).

Комплекс свойств светодиодов (в ближайшем будущем):

Высокая световая отдача (100-150 лм/Вт).

Малое энергопотребление (единицы ватт).

Высокие значения КПД световых приборов и коэффициентов использования светового потока в осветительных установках.

Малые габариты (точечные или плоские приборы).

Высокая долговечность (более 10 лет непрерывной работы).

Отсутствие пульсации светового потока.

Возможность получения излучения различного спектрального состава.

Возможность снижения коэффициента запаса осветительных установок благодаря стабильности характеристик и высокому сроку службы.

Возможность использования для освещения выцветающих объектов (произведений искусств, продукции полиграфии и текстильного производства).

Высокая устойчивость к внешним воздействиям (температуре, вибрации, ударам, влажности).

Электробезопасность и взрывобезопасность.

Возможность резкого уменьшения размера, материалоемкости и трудоёмкости производства световых приборов.

Возможность создания необслуживаемых светильников.

Высокая степень управляемости (возможность построения систем многоуровневого управления освещением).

Высокая технологичность при массовом производстве.

Низкие затраты на упаковку и транспортировку.

На международном симпозиуме 3-4 мая 2007 г. в г. Испра. Италия представитель Европейской Комиссии г-н Паоло Бертольди в своем докладе «Потребление ЭЭ в ОУ и потенциал энергосбережения» отметил следующее. В Европе масштаб потенциала экономии ЭЭ в ближайцше годы составляет 20% или 18 ТВт-ч. При условии изменения стандартов и исключения из производства и эксплуатации напольных светильников с мощными (300-500 Вт) галогенными лампами накаливания - годовая экономия может составить около 40 ТВт-ч.

В развивающихся странах, где во многих регионах нет электрических сетей, население использует для освещения керосин, лампы на основе органических веществ, лучины. Как показано в [16], световая отдача лучин составляет 0,04 лм/Вт и приблизительно в 300 раз меньше, чем у СД. Стоимость световой энергии современных СД (0,22 американских долларов за клм-ч) многократно дешевле, чем стоимость световой энергии, создаваемой такими примитивными источниками света (4,36 американских долларов за клм-ч для лучины). Эта разница будет непрерывно возрастать по мере совершенствования характеристик СД.

В табл. 2 [12] и на рис. 3-4 показаны, взятые из докладов [13 и 14] на научно-технической конференции по светодиодам (по нитридам галлия) в Москве [13] и на семинаре-выставке «День светотехника» [14] материалы, показывающие темпы развития параметров СД за последние годы и их характеристики, ожидаемые в ближайшие время (рис. 3 и 4). Профессора М.С. Шур и А. Цукаускас [12] приводят интересные данные о состоянии и перспективах развития до 2010 г. рынка СД. Из табл. 2 видно, что доля СД, применяемых для освещения за 5 лет предположительно возрастёт с 6 до 13% (стоимостью 1,07 млрд. долларов США), а общий объём реализации СД возрастёт более, чем в 2 раза с 4,1 до 8,2 млрд. долларов. При этом цена СД будет при массовом их выпуске резко снижена (рис. 5). Это позволит существенно уменьшить затраты на выработку 1 Млм-ч световой энергии по сравнению со всеми другими источниками света (см. рис. 5, где приведены сравнительные данные по капитальным затратам, эксплуатационным расходам и суммарным затратам в долларах на Млм-ч.) в ОУ с различными источниками света.

Большое впечатление производят масштабы работы в области СД в Китае [16]. В 2004 г. принята утверждённая правительством Китая государственная программа развития освещения с помощью светодиодов. Задачей этой программы является достижение экономии 100 млрд. кВт-ч ежегодно до 2015 г. при условии, что СД будут усовершенствованы до уровня световой отдачи 150 лм/Вт, а масштаб их продаж составит 40% от китайского рынка ламп накаливания. От правительства Китая на реализацию программы выделяется ежегодно 17 млн. USD. Программа охватывает деятельность 15 исследовательских институтов и 50 предприятий.

Китайская промышленность СД (а это около 600 предприятий и 40000 работающих) выпустила продукции на 1,45 млрд. USD в 2004 г. Для полной реализации программы создано 4 национальных светодиодных центра в городах Далянь, Шанхай, Наньчанг и Ксямень. Пятый центр создаётся в городе Шеньжень (на территории Гонконга).

Директор программы Линг By подчеркнул, что развитие светодиодного освещения является ключевой задачей китайской политики энергосбережения и находится постоянно в фокусе внимания правительства страны. Для обеспечения успешной реализации программы, особенно до 2008 г. - года Олимпийских игр в Китае, приняты меры для объединения усилий Китая, Тайваня и Гонгонга для работ в области СД.

Таким образом, современные достижения электроники и нанотехнологий, выразившиеся в кардинальном прогрессе светодиодов, требуют по нашему мнению пересмотра стратегии и тактики энергосбережения в осветительных установках. Необходимо в законодательном порядке и через новые стандарты, нормы и правила с помощью средств сертификации:

* сокращать производство и запрещать применение в проектах (путем нормирования максимальных значений

*удельной установленной мощности ОУ) ЛН, а также малоэффективных ламп ДРЛ и электромагнитных ПРА;

всемерно и быстро увеличивать применение КЛЛ с ЭПРА, ЛЛ типа Т5 с ЭПРА;

сделать основной упор на капиталовложения в разработку и производство высокоэффективных светодиодов и светильников с ними, стимулировать их широкое применение в проектах освещения.

Реально всего этого можно добиться, в частности, осуществляя жёсткий контроль энергоэффективности на стадии до утверждения проектов всех крупных ОУ и при приёмке их в эксплуатацию.

Важно подчеркнуть, что СД по своим параметрам (спектральному составу излучения, яркости, свето-распределению, единичной мощности, размерам, питанию постоянным током низкого напряжения и др.) принципиально отличаются от всех известных источников света. Их применение не предусмотрено действующими нормативными документами (СанПиН, СНиП, стандартами, как отечественными, так и зарубежными). В этой связи в качестве подготовки к массовому применению СД необходимо:

* привести комплекс психофизиологических исследований разных по назначению ОУ с СД и разработать нормативные материалы по их применению (пересмотреть СНиП и Сан Пи Н);

* разработать и стандартизовать методы фотометрии светодиодов;

* осуществить подготовку кадров специалистов в этой области;

* провести большую разъяснительную работу среди специалистов и населения;

* спроектировать и оборудовать показательные установки различного назначения;

* разработать серии разнообразных осветительных приборов с СД.

Таким образом, наряду с работами по совершенствованию характеристик и освоению сверхмассового производства самих СД необходимо осуществить большой комплекс сопутствующих работ, без которых будет невозможно добиться требуемого крупномасштабного энергосбережения.

Все эти работы предусмотрены в подготовленной группой московских специалистов «Комплексной среднесрочной программе светодиодного освещения», переданной в Правительство Москвы ещё в 2003 г. Остаётся надеяться на её утверждение, финансирование и успешную реализацию. Важнейшим фактором дальнейшего развития может послужить решение Президента и Правительства России о поддержке и первоочередном финансировании работ в области нанотехнологий в стране.

В заключение автор приносит благодарность за предоставленные материалы своим коллегам - проф. А.Э. Юновичу (Россия), Dr. Eino Tetry (Финляндия) и Prof. Dr. D. Sissis (Франция)

Список литературы

1. Айзенберг Ю.Б., Демирчян К.С, Фаермарк М.А. О повышении эффективности использования электроэнергии в осветительных установках. Светотехника. 1989. № 12. С. 1-6.

2. Айзенберг Ю,Б. Проблемы энергосбережения в осветительных установках. Светотехника. 1999. № 6. С. 11-18.

3. Айзенберг Ю.Б., Рожкова Н.В., Федюкина Г.В. Оценка перспективных возможностей энергосбережения в осветительных установках России. Светотехника. 2001. № 3. С. 9-12.

4. Айзенберг Ю.Б. Энергосбережение и техническая политика в области освещения. Светотехника. 2005 . № 6. С. 4-10.

5. Лесков С. Фарадей против Наполеона. Известия. Март 2007 г.

6. «Light's Labor's Lost. Policies for Energy-efficient Lighting» International Energy Agency, 2006.

Айзенберг Ю.Б. Генеральное направление развитияосветительной техники для общественных зданий - люминесцентные лампы типа Т5 с электронными ПРА. Светотехника. 2003. № 5. С. 41-43

Бопст В. Д. 125 лет электрическому освещению. Светотехника. 2005. № 1. С. 6-9.

9. Джулиан В. В Австралии лампы накаливания будут вне закона. Светотехника. 2007. № 3.

Зиссис Д. Небо Б. Тенденции повышения качества КЛЛ и стратегия вытеснения ЛН.Светотехника. 2007. № 4.

Nakamura S. Symposium X-Frontiers of Material Research, San-Francisko

12. Shur M.S., Zukauskas A. Solid-State Lighting: Toward Superior Illumination. Proceedings of the IEEE. Vol 93, N 10, Oktober 2005.

13. Whitaker T. Lighting with LED's: Illuminating Insights into the Solid-State Lighting Market. Доклад на 5-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия». Светотехника. 2007. № 3.

Ашурков С.Г. Семинар-выставка «День светотехника Москвы».

Bhusal P. Enlighten : LED for Rural Lighting. E3Light Newsletter 1/2007, p'4.

LED Magazine

Размещено на Allbest.ru