Перспективы технологии светодиодного освещения IV

IV. ДРАЙВЕРЫ

Существует ряд важных факторов, способствующих развитию и распространению светодиодов LED-SSL на рынке общего освещения. Эти движущие силы, обсуждаемые ниже, были сгруппированы в шесть широких категорий: окружающая среда, производительность и взаимодействие с людьми, безопасность, экономика, энергетика и потенциальные побочные эффекты.

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Экономия энергии

Возможно, наиболее важным экологическим преимуществом SSL является его способность обеспечивать значительную экономию энергии (DOE, & OIDA, 2001; Tsao, 2002)<32>. Экономия энергии за счет SSL приведет к сокращению выбросов CO2, которые вносят значительный вклад в глобальное потепление. Как было показано ранее в разделе III, два инвестиционных сценария SSL потенциально могут обеспечить сокращение выбросов CO2 на 0,9% или 2,5% по сравнению с прогнозом EIA в 2025 году.

<32> Существует также ряд других воздействий на окружающую среду или внешних эффектов, связанных с использованием энергии, включая добычу и переработку природных ресурсов, их распределение, а также воздействия, связанные со строительством дополнительных мощностей по производству электроэнергии, но они не обсуждались в этом документе. анализ.

Кроме того, способность светодиодов быть точечными источниками света позволит им более эффективно освещать небольшие площади. По этой причине они особенно хорошо подходят для освещения рабочих мест. Кроме того, направленный характер светодиодов означает, что использование LEDSSL на открытом воздухе может уменьшить «пересвечение», создаваемое световым загрязнением уличного освещения в городских районах (Ton и др., 2003). Световое загрязнение является нежелательным побочным продуктом наружного освещения, возникающим в результате использования неэффективных ламп и светильников или чрезмерного уровня освещения в ночное время (McColgan, 2003).

Устранение ртути

Помимо преимуществ, связанных с энергопотреблением, LED-SSL не содержит ртути; токсичный компонент, используемый в следовых количествах в некоторых традиционных технологиях освещения, таких как флуоресцентное и газоразрядное освещение. При утилизации ртутьсодержащих ламп ртуть может оказаться на свалках или в мусоросжигательных заводах, став опасной для окружающей среды и здоровья человека. Ртуть является известным токсичным веществом, которое при длительном воздействии вызывает повреждение почек, нервов и головного мозга у взрослых, детей и развивающихся плодов.

С 1999 года Агентство по охране окружающей среды классифицирует ртутьсодержащие лампы как универсальные отходы. Эта классификация упрощает их передачу по окончании срока службы, чтобы гарантировать безопасную переработку и обращение с этими лампами<33>. В дополнение к федеральным руководящим принципам, ряд штатов ввели свои собственные (более строгие) требования к опасным и универсальным отходам. отработанные лампы. Несмотря на эти правила, касающиеся ртути, в отношении ламп, по оценкам Агентства по охране окружающей среды в 2002 году, только 20% ртутьсодержащих ламп было переработано. В рамках информационно-просветительской программы, начатой в 2002 году, была поставлена цель довести эту цифру до 40% к 2005 году и до 80% к 2009 году (EPA, 2004).

<33> Подробную информацию о федеральном постановлении, классифицирующем отработанные лампы как универсальные отходы, см. по адресу www_epa_gov/epaoswer/hazwaste/id/merc-emi/merc-pgs/fedreg.pdf.

Поскольку SSL постепенно заменяет люминесцентные и другие ртутьсодержащие светильники, это также в конечном итоге приведет к сокращению закупок ртутьсодержащих ламп. Однако следует отметить, что в краткосрочной перспективе оборот люминесцентного освещения может увеличиться; особенно если преимущества SSL окажутся достаточно привлекательными, и будет предпринято больше проектов по модернизации освещения для замены флуоресцентных ламп на SSL. Это потенциально может увеличить поток отходов ртутьсодержащих ламп в краткосрочной перспективе.

Несмотря на проблемы токсичности ртутьсодержащих ламп, важно понимать их место в более широком контексте ртутного цикла. По оценкам Агентства по охране окружающей среды, только 1% из 158 тонн ртути, выброшенной в окружающую среду в результате деятельности человека, приходится на ртутьсодержащие лампы (87%) приходится на источники сгорания ископаемого топлива (EPA, 1997). Кроме того, за последнее десятилетие производители добились значительных успехов в сокращении количества ртути, содержащейся в лампах. В начале 1990-х годов люминесцентные лампы содержали до 48 миллиграммов (мг) ртути, но к концу десятилетия это количество снизилось примерно до 23 мг, а в некоторых случаях и до 10 мг (Daly, 2000). Несмотря на это, ртуть является важным компонентом для работы люминесцентных ламп и никогда не будет полностью устранена.

Сокращение отходов

Преимущество разработки тонких и компактных светильников LED-SSL заключается в том, что физический продукт будет содержать меньше сырья. Кроме того, предполагается, что светодиоды, используемые в SSL, будут иметь значительно более длительный срок службы, чем традиционные технологии освещения. (См. Таблицу III-1, где указаны целевые показатели срока службы SSL в сравнении со сроком службы обычного освещения). Увеличенный срок службы может значительно сократить количество ламп, утилизируемых каждый год, тем самым сокращая поток бытовых отходов. Например, рассмотрим сравнение двух средних домохозяйств, каждое из которых использует лампу (одну лампочку) семь часов в день. В Family One используется лампа накаливания (срок службы 1000 часов), и ее необходимо заменять примерно каждые пять месяцев. С другой стороны, семья номер два использует лампу SSL (по скромным оценкам, срок службы составляет 20 000 часов), и только теоретически ее нужно будет заменять примерно каждые 8 лет! Таким образом, за этот восьмилетний период, в то время как Семья Один использует и выбрасывает примерно 18 ламп накаливания, Семья Два будет использовать только одну лампу SSL<34>.

<34> В соответствии с целевыми показателями SSL Roadmap 2002 целевой срок службы светодиода составлял 100 000 часов. Однако важно помнить, что все возможные компоненты (например, схемы, силовые преобразователи, люминофоры) также должны прослужить столько же или дольше, поэтому в этом примере была принята более консервативная оценка в 20 000 лет.

Несмотря на многие экологические преимущества, потоки скрытых материалов и потенциальные проблемы токсичности относятся к числу важных экологических проблем, которые важно учитывать при анализе экологической устойчивости LED-SSL. На сегодняшний день не было проведено полной экологической оценки жизненного цикла этой новой технологии. В разделе VI настоящего отчета будет представлена предварительная оценка жизненного цикла для решения некоторых из этих потенциальных экологических проблем.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ЧЕЛОВЕКОМ

Производительность

Качество света, обеспечиваемого SSL, станет важным фактором при внедрении этой новой технологии. Твердотельное освещение имеет значительный потенциал для создания новой культуры освещения, существенно меняя то, как мы используем свет и взаимодействуем со ним (Tsao, 2002). Эта технология предлагает множество захватывающих и новых инновационных архитектурных возможностей, таких как возможность непрерывного изменения цвета света, возможность затемнять освещение без снижения эффективности, а также возможность создавать ненавязчивые и архитектурно гармонирующие светильники и светильники. Кроме того, SSL можно легко интегрировать в современные системы управления зданием, обеспечивая высокий уровень контроля и программирования. Физическая прочность светодиодов также позволит им легче интегрироваться в архитектуру и материалы зданий. Твердотельное освещение также может предоставить компаниям уникальные и инновационные способы создания «настроения» — создания новых захватывающих визуальных эффектов и особой атмосферы, которая отличает их от конкурентов.

Инновационные возможности

Характеристики SSL могут создать очень инновационный подход к освещению. Вместо создания «обратной совместимости» с существующей инфраструктурой освещения, SSL можно творчески интегрировать в совершенно радикальные и креативные системы освещения. Например, на семинаре Национальных академий, состоявшемся в 2001 году, исследователь и архитектор Шейла Кеннеди предложила несколько примеров инновационных применений светодиодного освещения, включая: сети светодиодного освещения, установленные в передвижных жилых или офисных перегородках; управляемые пользователем цвета и узоры света; и, пожалуй, самый радикальный – переработанный свет, обеспечиваемый встраиванием светодиодов в шторы, которые поглощают ультрафиолетовый свет солнца и повторно излучают его ночью в комнату в виде белого или цветного света (NRC, 2002).

Преимущества в текущих приложениях

В настоящее время использование LED-SSL в коммерческом секторе расширяется от нишевых приложений до обеспечения большей части освещения в таких помещениях, как магазины розничной торговли, бары, отели, казино, музеи, концертные залы, церкви, фасады зданий и рестораны. (Даулинг, 2003). Продолжаются исследования по выявлению возможностей для новых приложений, в которых LED-SSL может обеспечить улучшенную производительность, преимущества в области энергоэффективности и улучшить взаимодействие человека и света. В недавних лабораторных исследованиях, проведенных Исследовательским центром освещения (LRC) Политехнического института Ренселлара, было обнаружено, что участники исследования предпочитали холодильные витрины, освещенные прототипом светодиодной системы, а не традиционным люминесцентным освещением (Raghavan, & Naredran, 2002). .

Взаимодействие с человеком

Человеческий опыт и взаимодействие с искусственным освещением очень сложны (Tsao, 2002). Хотя свойства света, излучаемого светодиодами, достаточно хорошо изучены, исследований по физиологическому воздействию светодиодов на человека проведено мало (Zukauskas и др., 2002). Однако Зукаускас и др. (2002) ссылаются на исследование, проведенное в 1999 году, в ходе которого лабораторные животные подвергались воздействию LED-SSL. В этом исследовании светодиодный источник света сравнивался с люминесцентной лампой холодного белого цвета и было обнаружено, что сохраняется нормальный период бодрствования и сна и что между этими двумя источниками света не было статистически значимой разницы в поддержании нормальной физиологии сетчатки. Это исследование обеспечивает раннюю поддержку физиологического благополучия млекопитающих под воздействием светодиодных источников света (Zukauskas и др., 2002).

Была выдвинута гипотеза, что SSL может оказать положительное влияние на уровень человеческого комфорта и производительность на рабочем месте, что само по себе может принести значительные экономические выгоды (Цао, 2002). Например, динамическая система SSL может позволять изменять интенсивность и цвет света в соответствии с конкретным пользователем и/или его настроением или уровнем активности. Балансирование соотношения между рабочим (прямым) освещением и рассеянным (непрямым) освещением также может быть важным фактором во взаимодействии людей. В этом случае с помощью SSL у отдельного пользователя потенциально может быть возможность адаптировать свое рабочее пространство в соответствии со своими личными предпочтениями. Соответственно, влияние SSL на комфорт и производительность труда человека на рабочем месте, в частности, может быть значительным. Однако на сегодняшний день не было проведено окончательных исследований, подтверждающих это (DOE, 2004).

БЕЗОПАСНОСТЬ

Безопасность является важным фактором для новых технологий. Одним из неотъемлемых преимуществ светодиодов является то, что они являются устройствами с низким энергопотреблением. Поскольку они работают при низком напряжении, они могут обеспечить более простую установку и более высокий уровень безопасности для установщика (Тон и др., 2003). Длительный срок службы светодиодов может быть особенно выгоден в таких приложениях, как светофоры, где замена освещения нарушает транспортные потоки и представляет потенциальную угрозу безопасности для обслуживающего персонала. Когда светодиоды используются в автомобилях, они обеспечивают преимущество в безопасности, поскольку могут включаться на порядок быстрее (менее миллисекунды по сравнению с более чем десятью миллисекундами), чем вольфрамовые лампы.

Однако, несмотря на эти преимущества безопасности LED-SSL, существует некоторая обеспокоенность, поскольку высокая светоотдача одной лампы может создавать яркость, на которую людям может быть опасно смотреть прямо (Tsao, 2002). Оптика, которая должным образом рассеивает свет. будет необходим свет от светодиодов по всей комнате или рабочему пространству.

ЭКОНОМИКА

Экономия потребителей на счетах за электроэнергию

Потенциал энергосбережения, оцененный с помощью модели проникновения на рынок Министерства энергетики, показывает, что конечные потребители сэкономят около 130 миллиардов долларов совокупно в период с 2005 по 2025 год на своих счетах за электроэнергию благодаря разработке и внедрению эффективного SSL. Было установлено, что к 2025 году наибольшая экономия электроэнергии будет достигнута в коммерческом секторе. В коммерческом секторе будет сэкономлено около 92 миллиардов долларов, или около 72% от общей прогнозируемой экономии. Экономия примерно в 13 миллиардов долларов была оценена для каждого сектора жилых и уличных стационарных устройств, а также экономия в 10 миллиардов долларов для промышленного сектора<35>.

<35> Важно отметить, что эта экономия не была учтена в первоначальном отчете. Использование расчета чистой приведенной стоимости существенно снизит общий объем сбережений, особенно потому, что основная часть сбережений не накапливается примерно до 2018 года.

Один из способов сравнить экономическую эффективность SSL — это стоимость владения лампой. Tsao (2004; 2002) получил оценки будущих затрат на лампы на основе сценария, изложенного в Дорожной карте SSL 2002 (см. Таблицу III-1 в Разделе III, где указаны целевые показатели производительности SSL и затраты). В Таблице IV-1 показаны капитальные затраты, эксплуатационные расходы и стоимость владения за период разработки SSL по сравнению со средними затратами на традиционные технологии освещения. Капитальные затраты включают стоимость (долл. США за млн. м) на приобретение лампы и затраты на рабочую силу по ее замене в случае ее перегорания; оба показателя амортизируются в течение срока службы (до 20 000 часов). Соответствующие цифры для этих расчетов основаны на «Дорожной карте SSL 2002» и найдены ранее в отчете в Таблице III-1<36>. Эксплуатационные затраты — это стоимость ($ за млн. м) эксплуатации лампы — цифра, которая зависит от стоимости электроэнергии (здесь предполагается $0,07/кВтч) и светоотдача лампы. Стоимость владения в этом случае представляет собой просто сумму капитальных и эксплуатационных затрат. Обратите внимание, что эти расходы включают только лампу и не учитывают сопутствующие светильники.

<36> Обратите внимание, что при расчете капитала использовался (консервативный) срок службы LED-SSL, равный 20 000.

Таблица IV-1. Прогноз стоимости светодиодных твердотельных осветительных ламп по сравнению со стоимостью обычных ламп

	LED-SSL 2002	LED-SSL 2007	LED-SSL 2012	LED-SSL 2020	Лампа накаливания	Люминесцентная лампа	HID
Капитальные затраты ($/Mlmh)	12,00	1,25	0,30	0,13	1,25	0,18	0,05
Эксплуатационные расходы ($/Mlmh)	3,50	0,93	0,47	0,35	4,38	0,82	0,78
Стоимость владения ($/Mlmh)	15,50	2,18	0,77	0,48	5,63	1,00	0,83

Источник: (Tsao, 2004).
Примечание. Все затраты по проектам указаны в долларах 2002 года.

Эта таблица показывает, что в период с 2002 по 2007 год LED-SSL преодолеет порог и станет конкурентоспособным с лампами накаливания по стоимости владения. С точки зрения капитальных затрат SSL становится эквивалентом освещения с лампами накаливания в 2007 году. Из-за более высокой сравнительной эффективности и более низких капитальных затрат на люминесцентное и газоразрядное освещение, LED-SSL не сможет превзойти эти технологии освещения по стоимости владения примерно до 2012 года. Следует также отметить, что основные затраты на лампы накаливания, люминесцентные лампы и газоразрядные лампы — это их эксплуатационные расходы, тогда как основная стоимость LED-SSL — это их капитальные затраты. Следовательно, снижение капитальных затрат будет иметь решающее значение для LED-SSL (Tsao, 2002). Очень важно помнить, что цели, установленные «Дорожной картой SSL 2002», были агрессивными, и, следовательно, эти расчеты, полученные на основе этих целей, представляют собой агрессивный сценарий.

Одним из недостатков этого расчета является то, что он не включает затраты на утилизацию некоторых ламп. Например, большинство люминесцентных и других ртутьсодержащих ламп по окончании срока службы необходимо отправлять на переработку. Включение этого в анализ повысит стоимость владения ртутьсодержащими лампами и позволит SSL конкурировать с этими лампами на более раннем этапе.

ЭНЕРГИЯ

Твердотельное освещение потенциально может обеспечить улучшенное освещение, потребляя лишь часть энергии, необходимой для традиционных технологий освещения. В США, а также в других развитых странах мира искусственное освещение стало важным компонентом современной жизни. Переход от традиционных технологий к SSL дает возможность значительно сократить потребление энергии на освещение. Одним из важных преимуществ SSL является то, что его более высокая эффективность может снизить нагрузку на электросеть в часы пик спроса, поскольку освещение является потребителем электроэнергии в период пиковой нагрузки.

Возможно, еще более значительным является влияние, которое SSL может оказать на развивающиеся страны. По оценкам Всемирного банка, 67% сельского населения в развивающихся странах не имеют доступа к электричеству (Robertson, Craine, Irvine-Halliday, & Stone, 2003). Высокая стоимость создания инфраструктуры по производству, передаче и распределению электроэнергии в этих частях мира была непомерно высокой; таким образом, многие из этих людей в развивающихся странах вынуждены полагаться на освещение, работающее на топливе. Аналитики полагают, что использование SSL в развивающихся странах будет похоже на переход к технологии беспроводной связи, который был сделан в регионах, где отсутствует инфраструктура проводной связи (Strassberg, 2004).

Одной из новаторских организаций, занимающихся использованием технологий SSL для повышения качества жизни в развивающихся странах, является Фонд Light up the World<37>. Эту гуманитарную организацию основал доктор David Irvine-Halliday из Университета Калгари. Организация использует донорские и местные средства социального предпринимательства, чтобы обеспечить чистое, надежное, безопасное и доступное домашнее освещение в деревнях в развивающихся странах, где не хватает электричества. На данный момент это было достигнуто более чем в дюжине стран за счет сочетания маломощных светодиодов высокой яркости с дополнительными технологиями возобновляемой энергии, такими как солнечная фотоэлектрическая энергия (Робертсон и др., 2003).

<37> Более подробную информацию о Фонде Light Up the World можно получить по адресу: www_lutw_org.

ПОБОЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Материаловедение и инженерия, которые создают светодиодные чипы, представляют собой сложные полупроводниковые материалы, такие как нитрид алюминия, галлия, индия (AlGaInN). Эти системы материалов также используются в ряде технологий, имеющих решающее значение для национальной безопасности (Tsao, 2002). Например, они используются в мощной электронике для беспроводных и радиолокационных приложений, в солнечных детекторах, используемых для обнаружения запусков ракет, а также в качестве источников ультрафиолетового света для обнаружения биологических и химических агентов. Технология SSL-LED также хорошо подходит в качестве источника освещения для военнослужащих в экстремальных условиях окружающей среды благодаря высокой устойчивости к ударам и вибрациям, компактности и низкому энергопотреблению.

Форма поиска