Скачать архив.zip (15 кБт)

К.т.н. Г.Я. Бернер, к.т.н. М.Б. Раяк, к.т.н. М. Кинкер

Состояние дел в зарубежных странах

В последнее время в большинстве развитых стран мира в качестве возобновляемых источников теплоснабжения наибольшее распространение получили системы использования солнечной энергии. Солнце обрушивает на Землю такое количество энергии, что, если преобразовать ее всю в другие виды энергий, хватило бы на тысячи цивилизаций, т.к. известно, что суммарное излучение на поверхность Земли достигает 152424х10¹³ кВт энергии. Согласно некоторым источникам это в 20 тыс. раз превышает потребляемую энергию, вырабатываемую традиционными энергоносителями. Однако, быстрый рост солнечной энергетики возможен лишь при активной поддержке государственных структур.

Поэтому прочное лидерство в этом вопросе принадлежит Германии и Японии, где проблемы использования солнечной энергии являются частью промышленной политики правительств. Солнечные лучи приносят приблизительно по 1 кВт энергии на каждый 1 м² земной поверхности, но, как показывают расчеты специалистов, в климатических условиях Центральной Европы пока используется лишь меньшая доля этой энергии. Тем не менее, по прогнозам специалистов, к 2050 г. в Германии доля электрической энергии, получаемой от солнечных установок, составит до 9,8%, а доля тепловой энергии — 20,5% от общего объема энергии альтернативных источников. Поэтому, в частности, в Германии уже почти 15 лет существует программа, по которой 300 тыс. зданий должны быть оборудованы солнечными энергетическими системами. Для стимулирования граждан, поставляющих энергию от собственных солнечных панелей на крыше в национальную энергосеть, предоставляются низкопроцентные кредиты на 10 лет. Благодаря проводимой политике мощность солнечных установок для генерации электрической энергии в Германии с 1999 по 2005 гг. возросла с 13 до 750 МВт. В 2007 г. число таких солнечных панелей достигло 300 тыс. суммарной мощностью до 2500 МВт. Предполагается увеличить число солнечных панелей до такой величины, чтобы с их помощью можно было бы обеспечить как минимум 30% всей потребности в электроэнергии жителей частных домов. К 2025 г. выработка электроэнергии, получаемой от солнца, должна достигнуть 589 млрд кВт.ч.

Как показывают расчеты, для экономически оправданного внедрения солнечных панелей на индивидуальной крыше владельца дома стоимость 1 кВт.ч не должна превышать 50 центов США, и подобный источник электроэнергии от «собственной крыши» застройщика должен стать дешевле, чем от государственной электросети. Считается, что солнечная панель площадью 50 м²обеспечивает экономию до 3000 евро в год. При этом, как установлено расчетами, в масштабах страны эмиссия углекислого газа в атмосферу снизится на 350 млн т в год. Иначе говоря, большая часть этой стоимости падает не на производство энергии, а на распределительные сети и другие затраты. При наличии же собственного источника электроэнергии на крыше, отпадают расходы на транспортирование энергии. Поэтому, особенно целесообразным следует считать использование «солнечных электрогенераторов на крыше» в сельской местности, удаленной от крупных электростанций. Естественно, что наибольшее развитие солнечные системы получают в южных районах Германии, где мощность облучения достигает до 1,2 кВт на 1 м², а плотность населения существенно ниже, чем в таких индустриальных Землях Германии как Северный Рейн- Вестфалия. Например, внедрение в небольшом поселке в Южной Баварии солнечных установок для получения тепловой энергии позволило уменьшить эмиссию углекислого газа (СО₂) в атмосферу на 30 тыс. т в год.

С 2004 до 2006 гг. в целом по Германии число новых солнечных установок для получения тепловой энергии возросло с 60 до 140 тыс., а общая площадь абсорберов (солнечных коллекторов — прим. ред.) достигла 5,4 млн м². К 2010 г предполагается довести эту величину до 10 млн м². В свою очередь, в Австрии уже в 2000 г. работали солнечные абсорберы общей площадью 530 тыс. м², обеспечивающие выработку около 160 млн кВт тепловой энергии в год.

По климатическим условиям средней части Европы на долю отопления приходится от 65 до 75% от общего расхода энергии, а на горячее водоснабжение — от 12 до 20%. На хозяйственные нужды расходуется около 9%, а на долю освещения приходится примерно 2% энергии. При этом, по данным Германии, мощность отопительных систем рассчитывается, исходя из расхода тепла, составляющего примерно 2025 кВт на 1 м² общей площади помещения.

Такие отопительные системы внедряются не только в Германии, но и в таких солнечных странах как Испания, Италия, Греция, Марокко, Индия и Мексика. Так, например, на Иберийском полу

острове, где солнечные дни наблюдаются 300 дней в году, в ближайшее время будут построены солнечные установки суммарной мощностью до 600 МВт, а в Марокко мощностью до 450 МВт.

Аналогичная государственная политика по стимулированию солнечной энергетики в частных домах проводится в Японии. Домовладельцам, имеющим на крышах установки, использующие энергию солнца, компенсируется до 50% затрат. Поэтому ежегодно в Японии в эксплуатацию вводится до 60 тыс. таких домов. В результате в конце 2003 г. общая площадь подобных установок составила 7,35 млн м², а к 2010 г. планируется увеличить ее до 35 млн м². При этом основной упор делается на применение солнечных систем для нагрева воды в частных домах, число которых достигло уже 15% от общего числа этого жилого фонда. Характерно, что затраты на эти системы за 10 лет, начиная с 1995 г., уменьшились почти в 4 раза.

В Израиле с начала 1980-х гг. около 80% всех водонагревательных установок приходится на долю солнечных систем, и их количество продолжает увеличиваться. По мнению многих экспертов, в перспективе ускоренного развития солнечной энергетики следует ожидать и в таких солнечных странах Азии как Южная Корея и КНР. В частности на долю многонаселенного Китая уже к концу 2003 г. приходилось до 60% общей площади всех солнечных абсорберов в мире, хотя в этой стране отсутствует государственная поддержка солнечной энергетики. Тем не менее в пересчете на 1000 жителей страны в Китае площадь солнечных абсорберов составляет лишь 7,4 м² на 1000 жителей, в то время как в Австрии она равна 20,5 м²/1000 чел., в Греции 15,1 м²/1000 чел., а в Израиле она достигла значения 52,3 м² на 1000 жителей. Экономические расчеты показывают, что все затраты на оборудование солнечных систем окупаются за 2-4 года, а длительность гарантированной эксплуатации составляет около 30-40 лет.

Используемые конструкции

Для систем отопления и ГВС жилых зданий предназначены солнечные термические абсорберы различного конструктивного исполнения. Так, например, по мнению специалистов Германии, применение солнечных термических абсорберов для отопления и ГВС жилых домов усадебного типа позволяет почти на 40% сократить расход газа и жидкого топлива. В частности, при средней температуре воды для ГВС 60 ^ОС расход тепла составляет 1,9 кВт в день на 1 чел. или 700 кВт в год, что соответствует расходу 70 л жидкого топлива. Отсюда следует, что если только половина этой потребности покрыта за счет солнечного термического абсорбера в сочетании с аккумулятором горячей воды, то будет сэкономлено до 35 л жидкого топлива. По опыту эксплуатации таких систем известно, что экономия составляет до 65% от номинально требуемого расхода энергии.

Термические солнечные абсорберы в Германии выполняются обычно в виде многослойной конструкции в алюминиевой раме. Сверху рама закрыта высокопрочным прозрачным стеклом с пропускной способностью более 92%. При этом отражение солнечного облучения составляет менее 5%. Под стеклом размещена пленка из светопоглощающего металла, в качестве которого используют, например, медную пластину. Эта пластина и выполняет функцию солнечного абсорбера. Непосредственно к этому абсорберу приварен или припаян регистр или змеевик из медных трубок диаметром d=1/8″. Под регистром располагается многослойная теплоизоляция в виде слоя минеральной ваты и слоя вспененного полиуретана. Такие модули рассчитаны на максимальную температуру теплоносителя, циркулирующего по медному регистру до 206 ^ОС при давлении до 10 бар. Прочность конструкции остекления модуля такова, что она способна выдержать напор ветра со скоростью до 250 км/ч.

Термические солнечные абсорберы хорошо комбинируются в усадебных жилых домах с индивидуальными котлами для сжигания древесного топлива, в качестве которого применяются древесные гранулы, вырабатываемые из отходов деревообрабатывающей промышленности или растительных остатков сельскохозяйственного производства. Термические солнечные абсорберы наиболее эффективно использовать в сочетании с низкотемпературными системами панельного отопления с установленными в полах помещений регистрами, по которым циркулирует горячая вода. Такие абсорберы оснащаются устройством для регулирования, которое при дефиците получаемого тепла автоматически подключает горячую воду, поступающую в систему от котла для сжигания гранулированного древесного топлива.

Исключительный интерес представляют собой установки, в которых солнечная энергетика сочетается с использованием тепловых насосов. В частности, одной из зарубежных фирм разработана система, реализующая эту техническую идею.

В этой установке применен гибридный солнечный абсорбер, в который встроен осевой вентилятор и теплообменник, размещенный под змеевиком, по которому циркулирует теплоноситель, воспринимающий солнечное тепло. Технический смысл работы такого гибридного коллектора состоит в том, что при недостаточном солнечном облучении используется конвективное тепло окружающего воздуха. С помощью

вентилятора теплый воздух передает энергию через теплообменник к змеевику, по которому циркулирует теплоноситель, поступающий в верхнюю зону комбинированного аккумулятора тепла. Если в определенное время расход энергии на отопление и ГВС незначителен, то полученное тепло накапливается в так называемом «латентном» аккумуляторе при температуре около 25 ^ОС. При увеличении водоразбора автоматически в работу включается тепловой насос. С его помощью температура воды повышается до 55 ^ОС, и она через аккумулятор направляется в сеть ГВС.

Скачать архив.zip (111 кБт)

В.П. Кащеев, консультант, В.А. Поляков,
руководитель отдела развития, ЗАО «Мосфлоулайн», г. Москва

Проблеме энергосбережения в России сейчас уделяется большое внимание. Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов может быть достигнута за счет широкого применения передовых технологий прокладки тепловых сетей. На сегодняшний день системы предварительно изолированных трубопроводов с пенополиуретановой (ППУ) изоляцией признаны в мире самой экономичной технологией прокладки — тепловые потери составляют от 2 до 5% в зависимости от диаметра трубы при коэффициенте теплопроводности менее 0,033 Вт/м.К. Рассматривая проблемы применения таких трубопроводов в нашей стране полезно проанализировать опыт европейских стран, в частности Германии.

История централизованного теплоснабжения в Германии берет начало в 1880 г Протяженность теплосетей в настоящее время составляет примерно 100 тыс. км в двухтрубном исчислении. Внедрение новых технологий прокладки тепловых сетей в ППУ изоляции началось около 40 лет назад. Сегодня около 50 тыс. км теплосетей — это стальные трубопроводы в ППУ изоляции, около 25 тыс. км — гибкие трубы, остальные 25 тыс. км — традиционная прокладка (канальная, надземная и т.п.). Ежегодный объем строительства новых и замены старых сетей по технологии прокладки труб в ППУ изоляции составляет около 3000 км. За это время в Германии накоплен колоссальный опыт изготовления предизолированных систем, их проектирования, строительства и эксплуатации. Аккумулятором этих знаний является Ассоциация AGFW. Направлениями деятельности Ассоциации являются многочисленные вопросы, начиная с технологий производства и монтажа оборудования, нормативно-технической и энергетической политики, экономии тепла и заканчивая проблемами надежности систем, организации и безопасности труда, а также менеджмента знаний. Каждый этап внедрения труб с ППУ изоляцией регламентируется специальными документами Ассоциации AGFW, едиными для всей страны и обязательными для исполнения.

Обеспечение качества и как итог эффективное энергосбережение, является в Германии комплексным процессом, охватывающим все фазы создания теплосети:

• проектирование;
• проведение конкурса и размещение заказа;
• заводское изготовление конструктивных элементов системы;
• транспортировка и хранение;
• монтаж;
• приемка строительно-монтажных работ;
• ввод в эксплуатацию;
• эксплуатация.

При этом перед началом реализации необходимо выявить квалификацию поставщиков и строительных организаций. Персонал этих организаций должен быть обучен и обладать достаточным опытом, так же как и органы технического надзора и персонал эксплуатационных предприятий. Особое внимание надо обратить на документирование всего процесса — от проектирования до ввода в эксплуатацию.

Основу расчета статики предизолированных трубопроводов составляет выбор схемы прокладки трубопроводов, среди которых:

1. Условная прокладка — с ограничением протяженности участка между углами поворота. Данная прокладка удобна тем, что позволяет раскапывать трубопровод в любое время в процессе эксплуатации.

2. Горячая прокладка (с предварительным прогревом). Протяженность между углами и диаметр трубопровода не ограничены. Траншея засыпается при достижении температуры прогрева, определяемой проектом (приблизительно половина от рабочей температуры).

3. Холодная прокладка (без предварительного прогрева). Способ применим, если в процессе эксплуатации возникающие напряжения не превышают предел текучести стальной трубы. Ассоциация AGFW рекомендует применять этот метод для труб диаметром не более 400 мм и температуре не выше 120 ^ОС. При этом способе, как правило, применяют компенсационные подушки (предназначены для защиты полиэтиленовой оболочки трубопровода от возможных повреждений, которые могут возникнуть в результате линейных удлинений и сжатий труб в процессе их эксплуатации; эти подушки используют при бесканальном подземном способе прокладки трубопроводов. — Прим. ред.). При прокладке на малой глубине существует опасность выпучивания трубопроводов.

4. Прокладка с применением стартовых компенсаторов для ограничения продольных перемещений трубопровода.

Согласно руководящим документам Ассоциации AGFW в вариантах 1 и 3 допускается прокладка трубопроводов методом изгиба трассы с углами не более 3^О, при этом расстояние между изгибами не должно превышать 20 диаметров трубы.

Анализируя проекты на тепловые сети, разработанные российскими институтами, к сожалению, приходится делать вывод, что многолетний опыт наших западных коллег слабо учитывается в России. Практически все отечественные проекты выполняются по схеме холодной прокладки, что приводит к большим осевым нагрузкам. Трубопровод имеет большие смещения в областях скольжения. Тройники и тройниковые ответвления приходится усиливать. Строительство теплосети должно быть выполнено без отступлений от проекта по высотным отметкам, компенсирующие подушки должны быть предварительно напряжены. Очень высоки требования к геологическим изысканиям и качеству используемого для засыпки песка. При существующем отношении к строительству тепловых сетей в нашей стране это весьма проблематично.

Напрашивается естественный вывод — проекты должны выполняться с учетом всех особенностей, названных выше, и при этом должна выбираться оптимальная схема прокладки.

Одним из самых проблемных узлов тепловых сетей, наиболее часто выходящих из строя из- за коррозии стальной трубы, является неподвижная опора. В Европе уже более 20 лет назад отказались от применения таких опор, предпочитая естественную компенсацию. Врезки делаются в так называемых естественных точках крепления. У нас их принято называть «мнимыми опорами». Мало того что неподвижная опора — удовольствие достаточно дорогое, она даже в предизолированных системах является местом проникновения блуждающих токов на стальной трубопровод и, как следствие, трубопровод преждевременно выходит из строя. Наша же задача, чтобы тепловые сети работали без замены в течение 50-60 лет.

С 1996 г. Ассоциация AGFW проводит сбор данных от теплоснабжающих предприятий о повреждениях на трубах с ППУ изоляцией с целью анализа тенденций развития причин неисправностей и при необходимости введения мер по их устранению. В сборе информации участвует все возрастающее число членов Ассоциации (в 2008 г. — 90%), данные охватывают около 10% всех тепловых сетей страны. Почти 80% всех повреждений были обнаружены с помощью систем оперативного дистанционного контроля (ОДК) изоляции. В остальных случаях повреждения выявлялись визуально или по результатам тепловизионной съемки.

Статистика повреждений показана на рис. 1 и 2. Все повреждения подразделяются на системно-обусловленные, связанные с неудовлетворительным качеством продукции и монтажных работ, и посторонние повреждения, которые были нанесены третьей стороной. Посторонние повреждения составляют около 15-20%. Среди основных причин системных повреждений:

• негерметичность муфтовых соединений (45%);
• дефекты сварных соединений на стройплощадке (14%).

По результатам анализа повреждаемости Ассоциацией AGFW был разработан и введен в действие ряд документов:

• FW401 «Прокладка и статика труб в ППУ изоляции для сетей централизованного теплоснабжения»;
• FW603 «Монтаж муфт на трубопроводах с ППУ изоляцией: аттестация монтажников»;
• FW601 «Квалификационные критерии для предприятий, занимающихся прокладкой трубопроводов»;
• FW605 «Монтаж муфт на трубах с ППУ изоляцией: требования к предприятиям».

Как видно из рис. 1 и 2, в результате в последующий период наблюдается резкое снижение повреждаемости. Снижению дефектов муфт также способствовало вытеснение из практики монтажа типов муфт, не допускающих проверку герметичности гидроизоляции до заливки смеси компонентов ППУ

Одной из основных составляющих строительства является монтаж теплосети и муфт. Следует обратить внимание на следующие особенности, отмеченные в Руководстве, подготовленном Ассоциацией AGFW.

1. В процессе монтажа рекомендуется маркировка зон крепления и скольжения трубопроводов, определяемых проектом с обозначением зон их предварительного напряжения.

2. Компенсационные подушки как важная составляющая проекта рассчитываются по своим правилам в зависимости от схем и условий прокладки. Основное правило — температура поверхности полиэтиленовой оболочки не должна превышать 50 ^ОС во избежание снижения усталостной прочности, что приводит к ограничению толщины подушек до 100-120 мм в зависимости от способа установки (кругового или бокового). Крепление подушек к трубе скотчем с защитой от проникновения песка полиэтиленовой пленкой (рис. 3).

3. При сварке полиэтиленовой оболочки и монтаже муфт необходимо защитить зону от воздействия ветра, влаги, пыли, солнца. Работы вести при температуре не менее 5 ^ОС. На оболочке не должно быть царапин, надрезов, следов удара, т.к. в этих местах возникает концентрация напряжений.

4. При сварке на стальном трубопроводе должны быть отключены смонтированные приборы системы ОДК во избежание их повреждения.

5. При сварке муфт должна контролироваться не только температура нагрева, но и температура остывания стыка (до температуры 90 ^ОС).

6. Заливка установленных муфт компонентами ППУ производится при температуре поверхности рабочей трубы от 15 до 45 ^ОС.

В связи с вышеприведенным анализом применения предизолированных трубопроводов в Германии хотелось бы поделиться следующими соображениями.

Всесторонний анализ причин повреждаемости трубопроводов тепловых сетей и дальнейшая разработка и внедрение соответствующих нормативных документов на все этапы жизнедеятельности труб в ППУ изоляции позволяют значительно снизить повреждаемость теплосетей уже через 11,5 года. В России с нами злую шутку сыграла отмена обязательности применения СНиПов, ГОСТов, Сводов правил. Старые нормативы отменены, а новых еще нет. Предполагается, что создаваемые саморегулируемые организации (СРО) смогут «сочинить» свои нормативные документы. Но сколько СРО, столько и своих нормативов. Ничего хорошего от такой политики ждать не приходится. Да и СРО в области теплоснабжения — перспектива достаточно далекая. Около 60-70% тепловых сетей по России, отслуживших свой срок, могут не дождаться «светлого будущего». На наш взгляд, Министерство энергетики РФ должно взять в свои руки и ускорить процесс разработки и внедрения новых нормативных документов, которые сделают новые законы «Об энергосбережении» и «О теплоснабжении» реально работающими.

Комментарий к статье «Энергосбережению тоже надо учиться» члена редакционной коллегии журнала «НТ», вице-президента НП «Российское теплоснабжение» Ю.В. Ярового В ходе проводимой с 2000 г. административной реформы, государство сознательно оставило за собой право формирования общих «правил игры», лишив такого права министерства и ведомства. Министерство энергетики РФ не имеет сегодня полномочий издавать по своей инициативе обязательные для всех нормативно-технические документы.

Проблемы качества тепловых сетей, которые сегодня действительно есть и которые имеют уже угрожающий характер, могут и должны быть разрешены либо в СРО (ожидать этого «светлого будущего» осталось недолго — до 1 января 2011 г), либо добровольным присоединением к системе качества в теплоснабжении, разработанной и внедряемой НП «Российское теплоснабжение». Стандарты организаций НП «РТ» в блоке «Тепловые сети в ППУ-изоляции» (с текстом которых можно ознакомиться на сайте НП «РТ» в разделе «О деятельности» - www.nprt.rosteplo.ru. — Прим. ред.) разработаны профессионалами и в полном объеме охватывают все этапы жизненного цикла тепловых сетей в ППУ изоляции. Соблюдение этих стандартов позволит обеспечить необходимое качество тепловых сетей.

Скачать архив.zip (1040 кБт)

Рыбалов С.Л. канд. тех. наук (под общей редакцией проф. Ю.Б. Айзенберга). М.: Знак, 2011.

В брошюре, подготовленной Московским Домом Света по заказу Проекта ПРООН/ГЭФ/Минэнерго РФ «Преобразование рынка для продвижения энергоэффективного освещения в России», рассматривается новое поколение энергоэффективных тонких люминесцентных ламп типа Т5; приводится их номенклатура, технические характеристики и область применения. Использование новых ламп для освещения промышленных и общественных зданий совместно с системами автоматического регулирования освещения позволяет получить до 80% экономии электроэнергии в осветительных установках. Наряду с этим люминесцентные лампы Т5 обеспечивают значительное снижение загрязняющих атмосферу выбросов, позволяют резко улучшить комфортность и гигиеническое состояние окружающей среды благодаря отсутствию вредной пульсации светового потока и десятикратно уменьшенному содержанию ртути.

Брошюра подготовлена при участии независимых экспертов и консультантов. Мнение авторов необязательно отражает точку зрения ПРООН, других учреждений системы ООН, Министерства энергетики РФ и организаций, сотрудниками которых они являются.

© Программа развития Организации Объединенных Наций (ПРООН), 2011

В брошюре приводится анализ самых современных и перспективных трубчатых энергоэкономичных ламп третьего поколения (первое — лампы Т12 с диаметром колбы 38 мм, второе — Т8 с колбой 26 мм, третье — Т5 с колбой диаметром 16 мм). Проведено сравнение их параметров и источников света других типов.

Люминесцентные лампы (ЛЛ) представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых УФ-излуче-ние ртутного разряда преобразуется люминофором в более длинноволновое излучение. Первые образцы ЛЛ появились еще в 1926 г.

В 1938 г. фирма Generаl Electric довела ЛЛ до широкого коммерческого использования. Первые образцы отечественных ЛЛ были созданы в 1936—1940 г. группой московских ученых под руководством С.И. Вавилова и В.А. Фабриканта. Это были линейные лампы с диаметром 38 мм (Т12) мощностью 20, 40, 65 и 80 Вт.

В 80-х годах было освоено производство второго поколения энергоэкономичных ЛЛ диаметром 26 мм (Т8), которые обеспечивали те же световые потоки, что и лампы Т12 при мощностях 18, 36 и 58 Вт. Появление в это же время новых трехкомпонентных люминофоров позволило повысить световую отдачу до 92—95 лм/Вт при одновременном улучшении качества цветопередачи (Ra > 86) и снижении спада светового потока в конце срока службы до 15 % от начального с продолжительностью горения 10—12 тыс. часов (срок службы с электромагнитными балластами (ЭмПРА) до 50 % отказов — 15 000 часов, срок службы с электронным балластом (ЭПРА) с прогревом электродов до 50 % отказов — 20 000 часов).

Тенденция повышения энергоэффективности ЛЛ при понижении диаметра привела к созданию в 2000 г. серии ЛЛ третьего поколения с повышенной энергоэффективностью в трубке диаметром 16 мм (Т5), которые предназначены для работы исключительно с ЭПРА.

За последние годы производство и применение ламп с ЭПРА бурно прогрессировали, завоевывали все новые позиции, быстро вытесняя лампы типа Т8 в колбе с диаметром 26 мм, не говоря уже о лампах типа Т12 в колбе диаметром 38 мм, которые давно не выпускают ведущие электроламповые фирмы мира. (Остались позиции для замены существующего парка и для специальных применений). Масштабы экспансии новой техники столь велики, что лампы Т5 в Германии и Великобритании составляют сегодня не менее 30 %, в США — 40 %, а в Швеции — 70 % от объема всех выпускаемых ЛЛ, при этом новые световые приборы во всех этих странах разрабатывается только для ламп Т5.

Важно отметить, что параллельно созданы и массово выпускаются три ряда таких ламп: нормальные (табл. 1), с повышенной интенсивностью (табл. 2), а также лампы с повышенной световой отдачей (табл. 3). Светотехнические параметры ламп Т5 приведены для окружающей температуры 25 °С (табл. 1—3), электрические параметры приведены в табл. 4.

Отечественная промышленность все более отстает от конкурентов, продолжая массовый выпуск устаревшей техники — ламп Т12 и Т8 в основном с электромагнитными ПРА со стандартными потерями. Эти аппараты запрещены к производству (продаже) в Европе с мая 2002 г. из-за их энергетической неэффективности и поэтому в основном направляются на экспорт в Россию и страны СНГ.

Cкачать архив.zip (7513 кБт)

Юнович А.Э., доктор физ.мат. наук, профессор. Под редакцией профессора Ю.Б. Айзенберга. М.: Знак, 2011.

Брошюра подготовлена Московским Домом Света по заказу Проекта ПРООН/ГЭФ/Минэнерго РФ «Преобразование рынка для продвижения энергоэффективного освещения в России». Брошюра является популярным изданием.

Рассмотрены основные особенности работы светодиодов, их преимущества по сравнению с другими источниками освещения и области их применения. Обсуждены перспективы развития светодиодного освещения в мире и в России.

Брошюра подготовлена при участии независимых экспертов и консультантов. Мнение авторов необязательно отражает точку зрения ПРООН, других учреждений системы ООН, Министерства энергетики РФ и организаций, сотрудниками которых они являются.

© Программа развития Организации Объединенных Нацийь(ПРООН), 2011

Введение. Светодиоды как основа освещения будущего

Светодиоды (русское сокращение СД, английское — LED, Light Emitting Diodes) — полупроводниковые приборы, которые при протекании тока излучают свет, т.е. преобразуют электрическую энергию в световую. Светодиоды в 60-80 гг. ХХ-го века широко применялись в разного рода индикаторах и цифробуквенных указателях. Они имели красный, оранжевый и желто-зеленый цвет свечения. Открытия и изобретения в физике в 90-х гг. привели к созданию высокоэффективных светодиодов, излучающих в видимой области спектра, от ближнего ультрафиолетового до чисто зеленого диапазона [1, 2]. Яркие светодиоды, излучающие во всей видимой области, дали возможность создания светодиодных источников белого света.

В начале XXI века были разработаны государственные программы развития светодиодного освещения в Японии, США, Китае, Корее, Европейском Союзе. Промышленность светодиодов и светодиодное освещение развивались бурными темпами, опережая смелые предсказания специалистов. Были выращены сложные полупроводниковые структуры с десятками слоев толщиной порядка нанометров. Были разработаны новые типы светодиодов и светодиодные лампы, определены их области применения. Светодиодная промышленность стала перспективной областью экономики.

Российская научная и инженерная школа внесла важный вклад в исследования и разработки СД. Международное признание этого — Нобелевская премия академика Ж.И. Алферова [3]. С 2000 года Всероссийские конференции, международные выставки, посвященные светодиодам и их применению, проводились в России ежегодно. Число производителей светотехнических изделий на основе СД в России быстро увеличивалось. Начал формироваться рынок такой продукции. Стала необходимой подготовка кадров по светотехнике и электротехнике, по полупроводниковой технологии, которые смогли

бы развивать светодиодное освещение в России. Надо знакомить с этой тематикой людей, которые будут использовать СД. В брошюре рассмотрены свойства светодиодов белого свечения и их преимущества, изложена экономическая целесообразность их использования и области применения.

Светодиоды белого свечения

Последнее десятилетие стало свидетелем бурного развития светодиодных источников света. Рассмотрим свойства СД белого свечения. Надо понять, что обусловило достижение рекордного значения световой отдачи СД белого свечения до 210 лм/Вт в 2011 г. На рис. 1 показаны способы создания белого света. Его можно создать сложением излучения СД трех цветов — красного, зеленого и синего. Для лучшего воспроизведения белого света заданного оттенка можно использовать СД четырех и более цветов. Это позволяет наилучшим образом управлять цветовыми характеристиками излучателя, изменяя ток через отдельные диоды, но требует источника питания с заданным напряжением для каждого из СД.

Второй способ — синий СД, покрытый желтым или желто-зеленым люминофором. Это — наиболее простой применяемый способ, потому что в данном случае требуется только один источник питания. Он наиболее широко применяется в массовом производстве СД белого свечения, но его цветовые характеристики уступают получаемым другими способами.

Третий способ — синий СД, покрытый двумя люминофорами, зеленым и красным — позволяет получить лучшие цветовые характеристики.

Четвертый способ — ультрафиолетовый (УФ) СД, покрытый тремя люминофорами, красным, зеленым и голубым (RGB). Он имеет преимущества известных люминофоров для люминесцентных ламп, но для него неизбежны потери энергии при преобразовании УФ-излучения в длинноволновое.

Эффективность полупроводниковых источников света — световая отдача — определяется произведением нескольких множителей:

Один из них, η е1ес — коэффициент электрической эффективности СД. Он характеризует долю падения напряжения на той области светодиода, в которой идет рекомбинация электронно-дырочных пар (активной области), по отношению к общему напряжению на СД. Другой множитель — внутренний квантовый выход излучения, ηIQΕ — характеризует вероятность излучательной рекомбинации относительно общего потока рекомбинации в этой активной области. Третий множитель, ‘/ех/гас» коэффициент оптического вывода излучения — это отношение светового потока, вышедшего из полупроводникового кристалла, к потоку излучения, возникающему в активной области. Четвертый множитель, ηconv — коэффициент преобразования энергии излучения в люминофоре. Произведение этих четырех множителей определяет коэффициент полезного действия СД, т.е. эффективность преобразования электрической энергии в световую с определенным спектром. Наконец, множитель К — световая эффективность или люмен-эквивалент, определяется чувствительностью человеческого зрения к излучению с данным спектром и имеет размерность лм/Вт. В табл. 1 приведены значения коэффициентов, достигнутые в технологии белых СД к 2008 г.

На рис. 2 показано изменение световой отдачи различных ламп за последние 70 лет и ожидаемая перспектива. Кривые справа показывают прогноз для светодиодов, сделанный в 2009 г. Точка 210 лм/Вт, достигнутая в 2011 г. для белых СД, существенно выше прогноза.

Световая отдача светотехнических устройств с СД меньше, чем просто у СД. Она зависит от конструкции отражателей и рассеивающих поверхностей; за последние годы она достигла 120 лм/Вт.

Таблица 1 Параметры, характеризующие эффективность светодиода

Сравнение свойств белых светодиодов с обычными источниками света

Рекордное значение световой отдачи СД в лабораториях (210лм/Вт) достигнуто в 2011г.; значения ее для лучших коммерческих СД достигли 120 лм/Вт, а для массовых коммерческих — (60—80) лм/Вт. Но это не единственное преимущество СД.

Светодиоды, как твердотельные приборы, работающие при температурах близких к комнатным, имеют значительно больший срок службы, чем лампы накаливания и люминесцентные лампы. Оценки срока службы СД при нормальных режимах дают значения до 50 тыс. часов. Они имеют малые размеры, но часть электрической энергии (даже при КПД порядка 50 %) идет на нагрев. Повышение температуры приводит к падению световой отдачи.

Поэтому в конструкции СД используются корпуса, обеспечивающие хороший теплоотвод. Это позволяет увеличить ток через диод и, таким образом, увеличить световой поток. СД в отличие от обычных ламп не перегорают, а постепенно уменьшают свою эффективность. Срок службы определяется падением интенсивности излучения, например, до 70 % от начального значения.

Еще одно преимущество СД — вибростойкость. В них нет нити накаливания, которая ломается при вибрациях. Светодиоды не содержат ртути, свинца и других тяжелых металлов, что важно для техники безопасности. Не нужна утилизация вышедших из строя приборов (это не относится к управляющим устройствам — электронным приборам).

Важное отличие светодиодов от ламп — питание постоянным током низкого напряжения. На одном СД при прямом токе падает напряжение порядка контактной разности потенциалов, т.е., в зависимости от длины волны излучения, от 1,8 до 3,5 В. Обычно в лампах применяется последовательное или последовательно-параллельное соединение нескольких диодов. Напряжение источника питания выбирается равным 12—24 В. В помещениях с пожарной опасностью СД имеют

преимущества по сравнению с лампами, требующими питания переменным напряжением 127-220 В.

Площадь кристаллов СД составляет около 1 мм2, это почти точечные источники света. Линзы и отражатели устройств с СД создают излучение в заданном телесном угле (3—120°). Это позволяет эффективно использовать световой поток для освещения нужной части пространства или поверхности.

Еще одно важное отличие светодиодного освещения — возможность управлять как интенсивностью, так и спектром излучения. Люминофоры для белых СД, возбуждаемых синим излучением кристалла, позволяют создавать светодиоды «холодного» (т.е. яркого дневного) света с коррелированной цветовой температурой (КЦТ) около 6000 К, «нейтрального» с КЦТ около 4000 К, «теплого» (т.е. вечернего, близкого к цвету ламп накаливания) с КЦТ около 3000 К. Переключение разных СД позволяет регулировать оттенок белого света. Больше возможностей дают лампы со сложением излучения большого числа СД разного цвета; разработаны осветители с программным обеспечением, позволяющим получать заданные цветовые характеристики.

Экономическая целесообразность и перспективы развития светодиодного освещения

Экономические перспективы светодиодного освещения были охарактеризованы авторами американской программы в 2000 г. следующим образом: «Если к 2020 г. будет проведена замена ламп накаливания светодиодами, полученная экономия электроэнергии будет эквивалентна возможности отказаться от строительства 100 атомных электростанций и сократить выбросы продуктов сгорания углеводородов на сотни миллионов тонн в год». В первые годы XXI века вложения в исследования и разработки светодиодов в Японии, США, Корее, Китае составляли сотни миллионов долларов. Через 5—6 лет эти вложения начали окупаться. Начиная с 2005 г. рынок светодиодов увеличивался на 11 % в год, с 4 млрд долларов до 5,5 млрд долларов в 2008 г. Затем, несмотря на экономический кризис, он продолжал расти на 4 % в год. С 2010 г. светодиодный рынок растет на 15 % в год и предсказывается, что такой рост будет продолжаться, достигнув в 2015 г. 12 млрд долларов. Будет увеличиваться применение мощных и сверхмощных светодиодов. Рынок мощных СД для освещения достигнет 1 млрд долларов к 2012 г.; в 2020 г. 2 млрд долларов, а в лучшем случае — до 6,5 млрд долларов.