Rozwój technologii i prace nad diodami LED powodują, że coraz częściej zastępują one wiele rodzajów źródeł światła używanych obecnie w instalacjach oświetleniowych.
Dynamiczny postęp technologiczny w produkcji półprzewodnikowych źródeł światła, jakimi są diody LED, w ostatnich kilku latach sprawił, że stało się możliwe stosowanie ich jako pełnowartościowych źródeł światła. Coraz większe moce emisyjne tych źródeł pozwoliły na zastosowanie diod LED zarówno w oświetleniu w przemyśle motoryzacyjnym, do podświetlania dużych wyświetlaczy LCD, jak i w oświetleniu dekoracyjnym, architektonicznym, w sygnalizacji ulicznej oraz w oświetleniu ogólnym wewnętrznym i zewnętrznym (drogowym).
Rozporządzenia Unii Europejskiej ustaliły harmonogram wycofania z rynku energochłonnych, żarowych źródeł światła. Zgodnie z planami proces ten będzie trwał od września 2009 r. do 2016 r. Rozporządzenie zakłada, że wszystkie wycofywane żarówki będą zastąpione przez lampy o większej efektywności. Innowacyjną i zarazem energooszczędną alternatywą dla tradycyjnych żarówek mogą stać się nowoczesne diodowe źródła światła.
Podstawą działania diod LED jest zjawisko elektroluminescencji po raz pierwszy zaobserwowane w 1907 r. przez H.J. Rounda. Zauważył on wtedy emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC). Kolejne badania związków półprzewodnikowych, pod koniec lat 30. XX w., pozwoliły na zaobserwowanie zjawiska elektroluminescencji w siarczku cynku (ZnS).
Rys. 1 Ogólny schemat budowy półprzewodnikowej diody świecącej
Dioda LED jako źródło światła – budowa, działanie
Historycznie pierwsze diody LED wytworzono na bazie arsenku galu (GaAs) w 1962 r. Początkowo emitowały one światło monochromatyczne, najpierw podczerwone, potem czerwone, zielone, niebieskie, a na końcu białe.
Obecnie technika świetlna dysponuje półprzewodnikowymi źródłami światła o wysokiej wydajności, emitującymi światło w trzech podstawowych barwach: czerwonej, zielonej i niebieskiej, a w wyniku połączenia tych trzech barw możliwe staje się otrzymanie światła białego, co umożliwia ich szersze zastosowanie.
Diody LED (Light Emitting Diode) są strukturami półprzewodnikowymi. W skład ich budowy wchodzi warstwa półprzewodnika typu n, obszar aktywny zwany złączem p-n, warstwa półprzewodnika typu p oraz para metalowych kontaktów – elektrody dodatniej (do materiału typu p) i elektrody ujemnej (do materiału typu n). Podstawą działania półprzewodnikowych diod emitujących światło jest elektroluminescencja, dlatego diody te nazywane są diodami elektroluminescencyjnymi (luminescencyjnymi). Cechą charakterystyczną materiału p jest posiadanie nadmiaru dziur w paśmie walencyjnym, z kolei materiał n posiada w tym paśmie nadmiar elektronów. W momencie spolaryzowania diody w kierunku przewodzenia następuje przenikanie elektronów i dziur do warstwy aktywnej o niższym poziomie energetycznym. W złączu p-n (rys. 1), które jest połączeniem dwóch warstw materiałów półprzewodnikowych typu p i n, wzbudzone elektrony rekombinują z dziurami i pozbywają się nadmiaru energii, która zostaje wypromieniowywana w postaci kwantu światła (emisja fotonu).
Wartość energii emitowanego fotonu jest w przybliżeniu równa wartości przerwy między stanami energetycznymi, charakterystycznej dla danego materiału półprzewodnikowego.
W zależności od użytego materiału do wykonania diody można uzyskać w zasadzie dowolną barwę światła (żółtą, czerwoną, zieloną, niebieską, pomarańczową, a także białą). Pozwala na to odpowiednie domieszkowanie, tworzenie zestawów diod o wybranych barwach światła oraz ewentualne sterowanie ich strumieniem świetlnym.
Fot. 1 Oświetlenie LED mostu króla Jerzego V w Glasgow
Właściwości LED w aspekcie oświetlenia zewnętrznego oraz przykłady zastosowania
W oświetleniu zewnętrznym diody LED najczęściej używane są do oświetlenia akcentowego oraz dekoracyjnego. Jednak coraz częściej znajdują zastosowania również w oświetleniu użytkowym.Nie wymagają one stosowania żadnych dodatkowych filtrów barwnych, uzyskanie odpowiedniej barwy światła dekoracyjnego otrzymuje się przez zastosowanie odpowiedniej diody. Dodatkowo kąt rozsyłu światłości diody wynosi od kilku do około 130°, co ułatwia skierowanie strumienia świetlanego w wymaganym kierunku.
Istotnym atutem jest możliwość skutecznego działania LED w bardzo trudnych warunkach pogodowych, nawet we mgle czy podczas opadów deszczu i śniegu, gdy inne źródła światła często zawodzą.
Z produkowanych opraw do zastosowań zewnętrznych można wymienić akcentujące lub dekoracyjne oprawy ogrodowe, które posiadają wysoki stopień szczelności oraz oprawy wyznaczające światłem i barwą drogi i kierunki ruchu, które instalowane są w podłożu. Oprawy LED znajdują zastosowanie również jako instalacje oświetleniowe chodników i dróg spacerowych, parkingów, torowisk tramwajowych, tuneli drogowych i mostów, co przedstawiono na fot. 1.
Wysoka trwałość, możliwość pracy w niskich temperaturach oraz minimalny pobór mocy ograniczają do minimum zarówno niezbędną konserwację, jak również koszty eksploatacji.
Kolejnym przykładem oświetlenia wykorzystującego diody LED jest zewnętrzne oświetlenie słupowe. Oświetlenie tego typu można wykorzystać do oświetlenia alejek w parkach, reprezentacyjnych miejsc w miastach oraz oświetlenia użytkowego ulic i dróg.
Wykorzystanie diod LED w oprawach oświetlenia ulicznego staje się coraz częstsze. Rosnące ceny energii elektrycznej i wysoka emisja dwutlenku węgla do atmosfery wymuszają poszukiwanie energooszczędnych rozwiązań zgodnych z zasadami ochrony środowiska. Dodatkowo za stosowaniem oświetlenia ulicznego w technologii LED przemawia wiele zalet:
– osiągają stopień oszczędności energii na poziomie prawie równym lampom wyładowczym;
– pozwalają na precyzyjne kształtowanie rozsyłu światła, a tym samym na eliminację olśnienia i zanieczyszczenia środowiska światłem;
– nie emitują szkodliwego promieniowania ultrafioletowego;
– mają bardzo wysoki współczynnik oddawania barw;
– zapewniają „szybki start”, pozwalający na osiągnięcie pełnej jasności natychmiast po włączeniu;
– brak efektu stroboskopowego dzięki zasilaniu prądem stałym;
– są odporne na wibracje i wstrząsy;
– nie zawierają ołowiu, rtęci i innych substancji toksycznych, są więc przyjazne środowisku;
– charakteryzują się bezgłośną pracą w każdych warunkach;
– kompaktowa budowa oprawy zapewnia zmniejszenie powierzchni bocznej narażonej na wiatr, co poprawia bezpieczeństwo;
– ponad 13 lat eksploatacji bez konieczności wymiany źródła światła.
Na fot. 2 zaprezentowano oświetlenie uliczne, zastosowane w Rzeszowie. W tym przypadku cała lampa uliczna została tak zaprojektowana, aby ograniczyć oświetlenie pobocza do niezbędnego minimum. Rozwiązanie to umożliwia emisję światła tylko tam, gdzie jest potrzebne, a cała oprawa spełniała wymagania dotyczące oświetlenia energooszczędnego.
Innym przykładem zastosowania energooszczędnego oświetlenia ledowego jest przeprowadzona w czerwcu 2010 r. modernizacja oświetlenia drogowego na testowym odcinku ul. Radwana w Ostrowcu Świętokrzyskim (fot. 3), w ciągu drogi wojewódzkiej nr 754. Nowoczesne lampy LED (typ LR4U) o mocy nominalnej 112 W zastąpiły wysokoprężne oprawy uliczne typu OUS ze źródłem rtęciowym o mocy 250 W. Nowe oprawy zostały umiejscowione na istniejących słupach, o wysokości 9 m, które ustawione są niesymetrycznie po obu stronach jezdni (średnio co 30 m). Po wymianie opraw przeprowadzono pomiary kontrolne parametrów oświetleniowych. Uzyskane wyniki potwierdziły spełnienie wymagań normatywnych dla oświetlenia tej klasy drogi. Przed wymianą opraw na omawianym odcinku drogi moc zainstalowana źródeł wynosiła 8,25 kW, a po wymianie 3,9 kW (oszczędność zużycia energii o ponad 50%). Dodatkowo zmniejszyły się koszty eksploatacji ze względu na bezawaryjną pracę nowych opraw w stosunku do tradycyjnych źródeł. Co więcej, poprawiła się jakość światła spowodowana zmianą barwy z żółtej na białą oraz wysokim wskaźnikiem oddawania barw.
Fot. 2 Oświetlenie uliczne z zastosowaniem LED
Porównanie rozwiązań tradycyjnych i LED
Konieczność wycofywania produktów o niskiej skuteczności świetlnej, w tym stosowanych najczęściej do oświetlenia drogowego wysokoprężnych lamp sodowych i rtęciowych, zmusiła producentów oświetlenia ulicznego do zastosowania bardziej energooszczędnych rozwiązań, do których zaliczyć można źródła światła oparte na technologii LED. Ważnym czynnikiem przemawiającym za zastosowaniem tego rodzaju oświetlenia jest kalkulacja ekonomiczna.
W tabelach przedstawiono porównanie rozwiązań tradycyjnych i LED w aspekcie energooszczędności, uwzględniając równocześnie jakość, użyteczność, koszty oraz wymagania norm i przepisów.
Rozwiązanie LED zużywa o 13% mniej energii elektrycznej. W tab. 1 przedstawiono rachunek ekonomiczny dla fragmentu drogi krajowej (0,40 PLN//1 kWh, praca 4000 h rocznie).
Tab. 1 Droga klasy krajowej – dane układu drogowego, opraw i wyniki obliczeń [2]
|
Oświetlenie
|
Tradycyjne
|
LED
|
|
Odstępy między słupami, wysokość montażu [m]
|
35/9
|
|
|
Klasa oświetlenia drogi
|
Me3b
|
|
|
Współczynnik utrzymania
|
0,80
|
0,80
|
|
Typ oprawy
|
SR 100 1x100W HST
|
SL 30 LED
|
|
Liczba opraw
|
100
|
|
|
Moc oprawy [W]
|
118
|
105
|
|
Strumień świetlny oprawy [lm]
|
9 395
|
11 212
|
|
Skuteczność świetlna oprawy [lm/W]
|
80
|
107
|
|
Natężenie oświetlenia na płaszczyźnie roboczej [lx]
|
1,11
|
1,15
|
Przykład z tab. 2 pokazuje, że profesjonalne rozwiązania oświetleniowe LED są energooszczędne, co przekłada się na rachunek ekonomiczny, potwierdzający słuszność stosowania tego rodzaju oświetlenia.
Tab. 2 Uproszczony rachunek ekonomiczny dla 100 opraw [2]
|
|
Tradycyjne
|
LED
|
|
Koszt inwestycji [PLN]
|
91 380,00
|
114 210,00
|
|
Roczny koszt energii elektrycznej [PLN]
|
18 880,00
|
16 800,00
|
|
Średni roczny koszt eksploatacji [PLN]
|
1 900,00
|
400,00
|
|
Różnica w koszcie inwestycji [PLN]
|
22 830,00
|
|
|
Średnia roczna kwota zaoszczędzona [PLN]
|
3 580,00
|
|
|
Czas zwrotu inwestycji LED [lata]
|
6,4
|
|
Fot. 3 Instalacja w Ostrowcu Świętokrzyskim na ul. Radwana [3]
Podsumowanie
Ciągły rozwój technologii LED pozwala na stwierdzenie, że w niedalekiej przyszłości diody te staną się jednym z podstawowych źródeł światła wykorzystywanych w oświetleniu. W porównaniu ze standardowymi źródłami światła diody LED charakteryzują się większą skutecznością świetlną, co świadczy o tym, że są bardziej ekonomiczne.
Diody LED zdecydowanie wyróżniają się spośród pozostałych źródeł światła długością życia. W zależności od poziomu wytwarzanego promieniowania mogą w praktyce świecić od 50 tys. do 100 tys. godzin.
Są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia, drgania, wstrząsy, wibracje oraz oddziaływanie otoczenia, w tym wysokie i niskie temperatury. Jest to możliwe dzięki zwartej budowie, braku części szklanych i żarników. Umożliwia to zatem stosowanie ich wszędzie tam, gdzie do tej pory instalacja oświetlenia była niemożliwa lub znacznie utrudniona.
Małe zużycie energii przez diody LED zostało potwierdzone w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie. Oszczędności energii uzyskane dzięki zastosowaniu omawianych źródeł światła są szacowane w tych państwach na miliardy kilowatogodzin.
W 2013 r. Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej uruchomił program SOWA, którego celem jest ograniczenie emisji dwutlenku węgla pochodzącego z sektora energetycznego o 50 tys. ton rocznie. W Polsce oświetlenie w miejscach publicznych pochłania co roku ponad 1500 GWh i tym samym ponosi odpowiedzialność za znaczącą część globalnej emisji gazów cieplarnianych pochodzących z energetyki. Budżet przeznaczony na modernizację instalacji w gminach to 356 mln zł. W programie SOWA jednym z preferowanych rozwiązań zastosowanych w modernizacji oświetlenia drogowego jest wykorzystanie lamp LED [5].
Katarzyna Strzałka-Gołuszka
Firma Projektowo-Inżynierska ELDES
Literatura
1. S. Abramik, W. Ładziński, Nowoczesne systemy oświetleniowe z diodowymi źródłami światła, Gdańskie Dni Elek-tryki, 2006.
2. M. Bocheński, Technika i ekonomia, czyli energooszczędność profesjonalnych rozwiązań LED w przykładach, materiały z konferencji naukowo-technicznej „Energooszczędność w oświetleniu”, Poznań 2014.
3. P. Cichal, M. Wojdat, Oświetlenie drogowe z energooszczędnymi oprawami LED, „Elektroinstalator” nr 2/2013.
4. T. Krześniak, Oświetlenie LED-owe zyskuje na znaczeniu. Elektrosystemy, „Technika Świetlna” nr 10/2008.
5. Materiały firmy Luxan, Energooszczędna SOWA, „Elektroinstalator” nr 11-12/2014.
6. A. Pawlak, Diody świecące jako źródła światła, „Bezpieczeństwo Pracy” nr 12/2007.
7. Z. Porada, K. Strzałka-Gołuszka, LED – diody elektroluminescencyjne, INPE, zeszyt 44, sierpień 2013.
8. K. Schnitzer, Diody świecące, dodatek do miesięcznika „Elektroinstalator, Informator Światło”, Warszawa 2004.
9. K. Strzałka-Gołuszka, Możliwości zastosowania diod LED w oświetleniu ulicznym i iluminacji, materiały z konferencji naukowo-technicznej „Energooszczędne oświetlenie w miastach i gminach”, Kraków 2007.
10. J. Strzyżewski, Źródła światła (3), „Elektroinstalator” nr 5/2009.
11. A. Wiśniewski, Źródła światła, COSiW, Warszawa 2013.
12. M. Wojdat, Właściwości nowoczesnego oświetlenia drogowego LED, „Elektroinstalator” nr 4/2013.
13. K. Zaremba, Diody oświetleniowe LED, Biuletyn Oddziału Białostockiego SEP, nr 23, listopad 2005.
