Перспективы технологии светодиодного освещения V

V. ПРОБЛЕМЫ

Прежде чем SSL выйдет из нишевых приложений и станет широко использоваться для общего освещения, необходимо преодолеть ряд проблем. Эти проблемы, иногда называемые «барьерами», были идентифицированы и сгруппированы в три категории: технические, инфраструктурные и рыночные барьеры.

Проблемы, обсуждаемые ниже, в основном основаны на отчетах о встречах и семинарах, которые проводились между правительственными, отраслевыми и академическими экспертами для обсуждения проблем, с которыми сталкивается SSL. Эти источники включают в себя: две дорожные карты отрасли SSL (DOE, & OIDA, 2001; Tsao, 2002), семинар по планированию программ SSL, организованный Министерством энергетики осенью 2003 года (DOE, 2004), и семинар национальных академий в 2001 году (NRC, 2002). ).

ТЕХНИЧЕСКИЕ

Существует множество технических барьеров, которые необходимо преодолеть, прежде чем новая «парадигма» освещения, основанная на SSL, воплотится в жизнь. Инициатива Министерства энергетики США по исследованиям и разработкам SSL в настоящее время сосредоточена на шести важнейших технических областях: квантовая эффективность, упаковка, долговечность, инфраструктура, стабильность и контроль, а также снижение затрат (DOE, 2004). Финансирование исследований и разработок SSL в 2003 году составило 31 миллион долларов США (DOE, 2003c); что представляет собой очень небольшую долю от примерно 500 миллионов долларов США, необходимых для разработки SSL. Ожидается, что эти государственные инвестиции в сочетании с соответствующими инвестициями частного сектора в размере 500 миллионов долларов США в течение следующих десяти лет позволят достичь целевых показателей производительности и затрат, установленных для SSL (см. Таблицу 3-1).

В этом разделе эти технические проблемы были дополнительно разбиты на три области: производительность, стоимость и упаковка. Уровень детализации сведен к минимуму, но более техническое обсуждение этих проблем можно найти в Дорожной карте SSL 2002 года (Tsao, 2002).

Производительность

Световая эффективность: Энергоэффективность белых LED-SSL должна существенно улучшиться. Общая светоотдача устройства, измеряемая в люменах на ватт (лм/Вт), технически является продуктом эффективности многоэтапного процесса. Этот процесс берет электричество из электросети, преобразует электричество в ток и напряжение, необходимые светодиодному устройству, подает ток в чип, создает фотоны, извлекает фотоны из чипа, преобразует эти фотоны в широкополосный белый свет и, наконец, , доставляет зрителю этот белый свет. Хотя теоретически каждый этап этого процесса может быть на 100% эффективным, на практике на каждом этапе процесса возникают трудности, которые снижают эффективность. 100% эффективность преобразования мощности для системы SSL составляет около 400 лм/Вт, а Министерство энергетики планирует достичь эффективности системы 50% или 200 лм/Вт (Tsao, 2002)<38>. Квантовая эффективность — одна из шести важнейших технических областей, на которых концентрируется Министерство энергетики. Квантовая эффективность включает в себя внутреннюю квантовую эффективность преобразования электронов и дырок в фотоны и внешнюю квантовую эффективность извлечения этих фотонов из чипа.

<38> Эта эффективность 400 лм/Вт соответствует светодиодному источнику белого света RGB с умеренным индексом цветопередачи 80 и относительно теплым CCT 3900 К.

В настоящее время представленные на рынке белые светодиоды имеют эффективность примерно 25–40 лм/Вт, а лабораторные прототипы – 60–70 лм/Вт. Целевая цель, установленная в Дорожной карте SSL 2002 года, была амбициозно установлена на уровне 200 лм/Вт на 2020 год. Напротив, Арпад Берг, президент Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности (OIDA), предположил, что конечная цель в 120 лм/Вт может быть достигнута. более реалистично (Tsao, 2004)<39>. Модель проникновения на рынок SSL (DOE, 2003b) дифференцировала повышение эффективности SSL в сценарии ускоренных инвестиций на основе значения CRI света: свет высочайшего качества (называемый «очень высоким CRI») достиг 140 лм/Вт к 2025 году, в то время как свет самого низкого качества («низкий CRI») достиг 225 лм/Вт в 2025 году<40>. Такая дифференциация по CRI обусловлена тем, что НИОКР SSL с низким CRI ведутся дольше, чем НИОКР SSL с более высоким CRI, а также потому, что при создании SSL с более высоким CRI существуют большие технологические препятствия (DOE, 2003b). Существенным препятствием для создания белого светодиода RGB является относительная неэффективность зеленых светодиодов. В настоящее время эффективность зеленых светодиодов отстает от красных в 6-8 раз (Tsao, 2004).

<39> Цель 120 лм/Вт соответствует цели японского проекта Акари по разработке SSL, однако они установили 2010 год как год достижения этой цели.
<40> Однако в сценарии умеренных инвестиций к 2025 году низкий CRI SSL достигнет всего 160 лм/Вт, а очень высокий CRI достигнет только 65 лм/Вт.

Срок службы: ожидается, что твердотельное освещение будет иметь впечатляюще высокий срок службы — 100 000 часов, что намного превышает срок службы традиционных технологий освещения (который варьируется от 1 000 часов для ламп накаливания, 10 000 часов для люминесцентных ламп и 20 000 часов для HID) (Tsao, 2002). По оценкам отчета Министерства энергетики США о проникновении на рынок, в сценарии ускоренных инвестиций SLL во всех категориях качества CRI достигнет 100 000 часов примерно к 2020 году (DOE, 2003b)<41>. Важно понимать, что «срок службы» определяется по-разному, в зависимости от источника света. Например, в случае ламп накаливания за срок службы принимали точку, при которой 50% ламп выходят из строя из-за перегорания. Однако светодиоды работают совсем по-другому; вместо того, чтобы внезапно перегореть, их светоотдача со временем постепенно снижается. Поэтому более общепринятое определение «срока службы» светодиодов заключается в том, чтобы считать его снижением уровня светового потока на 50% (Tsao, 2002). Однако это определение не является универсальным: например, Lumileds, один из ведущих производителей светодиодов, указывает, что его светодиоды Luxeon имеют средний световой поток 70% при 50 000 часов (Whitaker, 2004).

<41> В случае сценария с умеренными инвестициями увеличение срока службы SSL к 2025 году достигнет только 65 000 и 80 000 часов для SSL с очень высоким и низким CRI соответственно.

Долговечность SSL также является одним из основных направлений исследований и разработок, которые Министерство энергетики финансировало в период с 2000 по 2004 год. Некоторые из этих исследований направлены на изучение вопросов материаловедения, связанных с примесями, дефектами и кристаллическими структурами различных систем материалов. Одним из важнейших элементов, определяющих долговечность светодиодного чипа, является эффективное управление температурным режимом. Несмотря на высокую эффективность, которую, как ожидается, достигнет LED-SSL, она не будет эффективной на 100%, и будет выделяться некоторое количество отработанного тепла (Tsao, 2002). Небольшой размер светодиодного чипа (порядка 0,25–2,5 мм) означает, что выделяемое тепло концентрируется на чрезвычайно маленькой площади. Должен быть какой-то радиатор для отвода этого избыточного тепла, чтобы высокие температуры не влияли отрицательно на PN-переход, где создаются фотоны. Кроме того, если интенсивность и цвет света светодиодов со временем меняются, то система должна быть оснащена необходимыми средствами управления для компенсации и сохранения постоянной мощности белого света в течение всего срока службы системы освещения. Дополнительная текущая проблема заключается в том, что ухудшение просвета с течением времени является функцией ряда факторов, включая условия эксплуатации и производителя (Whitaker, 2004).

Несмотря на потенциальную долговечность светодиодных чипов, важно понимать, что лампа SSL представляет собой систему компонентов. Система слаба настолько, насколько ненадёжно ее самое слабое звено. Хотя светодиод сам по себе может быть «световым двигателем» этой системы, долговечность компонентов системы, таких как приводная электроника, герметик и, возможно, фосфорное покрытие, являются примерами необходимых компонентов SSL, которые потребуют равной или большей долговечности.

Качество цвета. Качество освещения сложно измерить, поскольку оно зависит не только от рассматриваемой технологии освещения, но и от свойств человеческого зрения. Качество цвета освещения обычно измеряется с использованием двух показателей: цветовой коррелированной температуры (CCT) и индекса цветопередачи (CRI). Эти два показателя суммированы ниже<42>.

<42> Для получения дополнительной информации о показателях освещения см. Международную комиссию по освещению (CIE) по адресу www_cie_co_at/cie/.

Цветовая коррелированная температура (CCT)

Одним из атрибутов источника света является цвет, который он появляется, если смотреть прямо или когда он освещает совершенно белый объект. Цветовая коррелированная температура (CCT) — это показатель, который представляет температуру абсолютно черного тела, воспринимаемый цвет которого больше всего напоминает рассматриваемый источник света. Эта метрика выражается в градусах Кельвина (К). Лампы с низким КЦТ (3000 К и ниже) излучают «теплый» белый свет, имеющий желтоватые или красноватые оттенки. Лампы с высокой CCT (3500 К и выше) излучают «холодный» белый свет, который кажется голубоватым (Atkinson et al., 1995).

Индекс цветопередачи (CRI)

Цветопередача источника света показывает, насколько точно он передает цвет небелых объектов, которые освещает. Сравнение того, насколько точно он визуализирует этот объект, сравнивается с «идеальным» эталонным источником света с той же CCT. CRI — это шкала, варьирующаяся от 0 до 100, где 100 — «лучший». Чем выше CRI, тем меньше разница в воспринимаемом цвете тестовых объектов между источником и эталоном.

К сожалению, ни один из этих показателей не является идеальным, и, кроме того, эти показатели были признаны непригодными для характеристики света от LED-SSL из-за присущего светодиодам узкополосного широкополосного излучения. Например, в недавнем исследовании LRC провел эксперимент на людях, используя несколько белых светодиодных ламп для чтения в сравнении с галогенными лампами для чтения и лампами накаливания<43>. Исследование показало, что белые светодиодные лампы RGB предпочтительнее галогенных ламп и ламп накаливания. Однако из двух белых светодиодов RGB участники-люди не имели предпочтения между CRI, равным 23, и CRI, равным 63, что указывает на то, что CRI не является хорошим индикатором цветового предпочтения (Narendran, & Deng, 2002). Тон и др. (2003) предполагают, что использование этих традиционно используемых показателей может фактически препятствовать внедрению LED-SSL. Таким образом, важной задачей при разработке LED-SSL будет не только улучшение качества света LED-SSL, но и обеспечение наличия соответствующих показателей в местах, которые точно передают качество света LED-SSL покупателям. в магазине.

<43> Дополнительную информацию об эксперименте см.: www_lrc_rpi_edu/programs/solidstate/completedProjects.asp?ID=54

Когда дизайнеры освещения используют светодиоды, одна из проблем, с которыми они сталкиваются в настоящее время, — это высокая степень изменения цвета в партиях белых светодиодов. Это может быть особенно проблематично в приложениях, требующих большого количества белых светодиодов, расположенных рядом (Whitaker, 2004). Кроме того, проникновение LED-SSL в общее освещение потребует, чтобы это освещение не только имело приемлемое качество света, но и отвечало строгим требованиям к стабильности цветопередачи, стабильности цветовой температуры и однородности яркости.

Стоимость

Стоимость белых LED-SSL должна быть значительно снижена, чтобы быть конкурентоспособными с традиционными технологиями освещения в приложениях общего освещения. Снижение затрат, оцененное в «Дорожной карте SSL» 2002 года, выросло с 200 долларов за километр в 2002 году до 20 долларов за километр в 2007 году, до 5 долларов за километр в 2012 году и, наконец, до 2 долларов за километр в 2020 году; общее снижение в 100 раз (Tsao, 2002)<44>. В Дорожной карте SSL 2002 года приводятся оценки трех способов достижения такого снижения затрат: они включают повышение эффективности преобразования энергии, увеличение удельной мощности чипа при одновременном улучшении его терморегулирования и снижение затрат на производство чипов.

<44> Все цены указаны в «уличных ценах», и можно предположить, что цена OEM будет примерно меньше, примерно в 2 раза.

Корпус

Корпус является очень важным аспектом системы белого LED-SSL, поскольку он оказывает большое влияние на эффективность, срок службы и стоимость устройств LED-SSL. Однако на сегодняшний день этой области уделяется меньше внимания, и основное внимание НИОКР сосредоточено на новых материалах и снижении производственных затрат (Ton и др., 2003).

Светодиодный чип(ы) должен быть упакован такой корпус лампы, который будет включать в себя герметик, радиатор и, возможно, люминофоры для преобразования света. Затем лампу вставляют в светильник или приспособление, которое направляет свет в соответствующую область. Электроника может быть встроена в саму лампу или в отдельный модуль. В настоящее время не существует единого подхода к созданию такого типа систем. Однако корпус будет важным фактором, особенно для максимизации потенциала энергосбережения LED-SSL.

ИНФРАСТРУКТУРА

По мере улучшения характеристик белых светодиодов-SSL и снижения затрат они смогут конкурировать за долю рынка на рынке общего освещения. Однако, поскольку технология еще очень молода, на сегодняшний день больше внимания уделяется материалам и производственным областям исследований и разработок, а относительно меньше исследований и разработок светодиодным системам. Следовательно, вопросы совместимости сокетов и других норм и стандартов еще предстоит решить в будущем, прежде чем произойдет широкое распространение LED-SSL.

Совместимость

Вопрос о том, будет ли будущее LED-SSL прямой заменой существующих осветительных розеток, или же будет создана новая инфраструктура освещения, независимая от «культуры лампочек» (Tsao, 2002), остается открытым. С одной стороны, ускорение внедрения в ближайшем будущем может быть достигнуто за счет создания устройств LED-SSL, которые оснащены необходимой схемой и могут встраиваться в существующие розетки. Фактически, несколько таких светодиодных лампочек с цоколем Эдисона сегодня коммерчески доступны.<45> Кроме того, многие оценки энергосбережения были основаны на предположении, что SSL можно будет использовать в существующих цоколях (DOE, 2001, 2003b; Дреннер, 2001). Экономия энергии в общем освещении в течение следующих двух десятилетий будет значительно снижена, если LED-SSL будет доступен только для строительства новых зданий или крупных проектов по модернизации освещения.

<45> См. ledmuseum_home_att_net для широкого обзора и обзора доступных в настоящее время светодиодных продуктов.

Но с другой стороны, создание новой инфраструктуры освещения, основанной на уникальных и инновационных характеристиках SSL, может стать решающим фактором успеха на рынке общего освещения. Инновационность в настоящее время приводит к тому, что светодиоды используются в особых нишевых приложениях, таких как фасад здания и акцентное освещение в розничных магазинах. Например, по словам Кевина Даулинга, вице-президента по стратегии и технологиям светодиодной компании Color Kinetics, «большинство установок Color Kinetics не ориентированы на экономию энергии, хотя преимущества все же есть» (Whitaker, 2004). Скорее, Даулинг в своей недавней статье процитировал, что клиенты, использующие светодиодную продукцию, больше ориентированы на достижение уникальных визуальных эффектов и атмосферы (Dowling, 2003). В заключение, остается неизвестным, как устройства LED-SSL будут конкурировать на рынке общего освещения.

Кодировка и стандарты

Революционный характер LED-SSL на рынке освещения потребует разработки сопутствующих норм и стандартов наряду с этой новой технологией. Необходимо разработать новые инструкции по установке и сертификации продукции (например, UL, предоставленную Лабораторией страховщиков)<46>. Существует ряд органов, устанавливающих стандарты в области освещения, таких как Общество светотехники Северной Америки (IESNA), Международная комиссия по освещению (CIE) и Национальная ассоциация производителей электротехники (NEMA). Общие «розетки», обеспечивающие взаимозаменяемость ламп, будут необходимы, если потребители будут уверены, что приобретаемая ими лампа LED-SSL подойдет к существующему светильнику.

<46> Лаборатория страховщиков провела оценку систем и компонентов светодиодного освещения для таких применений, как указатели выхода, светофоры и общее освещение. Для получения дополнительной информации см.: www_ul_com/lighting/led.html

Если новые показатели не будут разработаны и приняты сообществом светотехники, вполне вероятно, что конечные пользователи будут сравнивать светодиоды с традиционными технологиями освещения, а также с другими светодиодами, используя CRI и CCT. Поскольку эти показатели не очень подходят для светодиодов, вполне возможно, что их использование может фактически препятствовать распространению LED-SSL. Стандартизация показателей (таких как номинальный срок службы устройства LED-SSL) будет важна, чтобы конечные пользователи могли сравнительно оценить использование LED-SSL от разных производителей, а также сравнить LED-SSL с традиционными технологиями освещения.

РЫНОК

Существующая структура рынка освещения

Поскольку LED-SSL обещает стать весьма инновационным и энергоэффективным способом предоставления услуг освещения, это, вероятно, будет революционной технологией на существующем рынке общего освещения, на котором доминируют лампы накаливания, люминесцентные лампы и лампы HID. Однако замена старых технологий освещения, вероятно, будет сложной задачей, отчасти из-за вертикально интегрированной структуры зрелой ламповой промышленности. Многие из этих отраслей не готовы покупать свои компоненты у третьих сторон, но ни одна из них в настоящее время не производит светодиодные чипы, которые являются сердцем LED-SSL. Более того, многим конечным пользователям теперь требуются узкоспециализированные осветительные приборы; это привело к сильно фрагментированной индустрии освещения.

В январе 2004 года конференция под названием «Светодиоды: решение задач проектирования и производительности» была предназначена для дизайнеров освещения и конечных пользователей в отрасли, но в ней также приняли участие некоторые производители светодиодов. Встреча подчеркнула разрыв между этими двумя сообществами, показав, что более тесное общение между ними будет важно для реализации потенциала LED-SSL. В то время как производители светодиодов лихорадочно работают над повышением яркости и эффективности своих устройств, многие представители более широкого сообщества светотехников по-прежнему не уверены в том, как использовать эту новую технологию в своих продуктах и конструкциях (Whitaker, 2004). Участники встречи также назвали стандартизацию серьезной проблемой для компаний, которые хотят оценить затраты и преимущества использования светодиодов по сравнению с традиционными технологиями освещения. Даже сравнивать светодиоды разных производителей сложно, поскольку отрасль относительно новая и общие стандарты еще не установлены (Ton и др., 2003).

Потребительское признание

Существует значительный объем литературы, посвященной объяснению так называемого энергетического «барьера в эффективности». То есть, хотя технологии кажутся экономически эффективными с точки зрения стоимости жизненного цикла, потребители не могут их принять. Таким образом, существует разрыв между возможным уровнем рентабельной энергоэффективности и реальным существующим уровнем энергоэффективности. Яффе и др. (1994) представили обзор этого барьера в эффективности.

Например, основной предпосылкой принятия потребителем LED-SSL будет образование. Хотя многие потребители знакомы с небольшими светодиодными индикаторами, используемыми в электронном оборудовании, они, вероятно, гораздо менее знакомы со светодиодным освещением, используемым для освещения. Это незнание применимо ко многим конечным пользователям освещения, включая дизайнеров освещения, монтажников, строительных инспекторов, государственных чиновников, а также жилых и коммерческих пользователей (Ton и др., 2003).

Форма поиска