Перспективы технологии светодиодного освещения VII

VII. ПУБЛИЧНАЯ ПОЛИТИКА

ПРЕДПОСЫЛКИ УСИЛИЙ США

В 2001 году интерес к партнерству правительства и промышленности с целью ускорения разработки SSL был вызван официальным документом, написанным исследователями из Sandia National Laboratories и Hewlett-Packard (Haitz et al., 2000). В этой статье авторы предположили, что высокий риск развития SSL сочетается со значительными потенциальными экономическими и экологическими выгодами; представляют собой убедительные аргументы в пользу скоординированных национальных усилий по ускорению развития этой технологии. Они предположили, что эти усилия должны включать государственные инвестиции в размере 500 миллионов долларов США в течение десяти лет. В отчете о семинаре по SSL, проведенном национальными академиями, а также в предыдущем отчете Комитета национальных академий по оптическим наукам и технике также рекомендован совместный подход с разделением затрат для государственно-частной поддержки НИОКР по разработке SSL (NRC, 1998, 2002).

На сегодняшний день в рамках Программы строительных технологий Министерства энергетики США было заказано несколько моделей проникновения на рынок и отчетов для оценки экономии энергии и денежных средств от распространения SSL в 2005 и 2025 годах (DOE, 2001, 2003b). Несмотря на неопределенность моделирования проникновения на рынок новой технологии, эти модели помогли подтвердить экономический и энергосберегающий потенциал SSL. На Капитолийском холме законопроект Сената S.1166, впервые представленный Конгрессу в 2001 году, включает в себя «Инициативу в области освещения следующего поколения» (NGLI), государственно-частную инициативу, которая санкционирует финансирование в размере 500 миллионов долларов в течение десяти лет для ускорения развития SSL<65>. Затем этот законопроект был включен в законопроект об энергетике 2003 года, который не прошел успешно через Конгресс. Однако заранее восемь компаний сформировали альянс: «Альянс светотехнической промышленности следующего поколения» (NGLIA), чтобы сохранить законодательство в качестве приоритета в Конгрессе. NGLIA также служит форумом для сотрудничества между компаниями, обеспечивает «разумный» доступ к интеллектуальной собственности, созданной в рамках НИОКР, финансируемых Министерством энергетики, и взаимодействует с Министерством энергетики для предоставления отзывов о НИОКР и разработке стратегий (Becker, 2003).

<65> С текстом этого законопроекта можно ознакомиться на веб-сайте Sandia National Laboratories, посвященном полупроводниковому освещению: lighting_sandia_gov

Несмотря на застой в законодательстве по законопроекту об энергетике 2003 года; Продолжается финансирование исследований и разработок SSL и связанных с ним технологий. Согласно портфелю проектов по твердотельному освещению программы Министерства энергетики, энергоэффективности и возобновляемых источников энергии в строительных технологиях, с 2000 года на разработку SSL было заключено контрактов на сумму около 31 миллиона долларов (примерно 25 миллионов долларов США внесло Министерство энергетики) (DOE, 2003c). ). Это совокупное финансирование до 2003 года составляло лишь 5% от ожидаемой общей стоимости (500 миллионов долларов США) государственных инвестиций, которые, по оценкам, были необходимы для разработки SSL (DOE, 2004). Однако было выделено дополнительное государственное финансирование исследований и разработок, связанных с технологией SSL, которое не включено в эти 25 миллионов долларов. Это финансирование поступает через Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), Фонд фундаментальных энергетических наук (BES) Министерства энергетики, Национальный научный фонд (NSF) и Программу передовых технологий (ATP) Национального института стандартов (NIST). Семинар по планированию программы SSL, состоявшийся в ноябре 2003 года, представил структуру долгосрочной стратегии развития технологий, проиллюстрированную в форме пирамиды. Этап прикладных исследований занимает нижнюю часть пирамиды, которая была в центре внимания в период с 2000 по 2004 год. Последующие этапы включают разработку продукта и системную интеграцию, демонстрацию и кондиционирование рынка для достижения конечной цели коммерциализации.

На сегодняшний день Программа строительных технологий, расположенная в Управлении энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (EERE), является программой федерального правительства, наиболее активной в разработке SSL. До сих пор участие Агентства по охране окружающей среды ограничивалось работой в рамках программы ENERGY STAR Агентства по охране окружающей среды и Министерства энергетики США, которая разработала рекомендации по сертификации энергоэффективных светодиодных светофоров и указателей выхода.

РЕЗЮМЕ ЗАРУБЕЖНЫХ УСИЛИЙ

Правительства других стран более агрессивно продвигают SSL посредством сотрудничества с промышленностью. В Японии с 1998 года предпринимаются совместные усилия государственного и частного секторов по продвижению SSL в рамках проекта под названием «Освещение 21 века». Программы по ускорению развития SSL также реализуются в Китае, Тайване и Корее (Steele, 2003). Основной аргумент в пользу того, что правительство должно финансировать высокорискованные и долгосрочные исследования, был аргументом, выдвинутым для оправдания финансирования НИОКР SSL. Кроме того, ожидаются значительная экономия энергии (на электроэнергию приходится примерно 20% конечного потребления электроэнергии в США, аналогичный показатель наблюдается во всем мире), сокращение выбросов парниковых газов, выгоды от сокращения импорта нефти, а также денежная экономия. для потребителей электроэнергии можно назвать подходящим обоснованием государственных инвестиций в разработку этой новой технологии (Steele, 2003).

VIII. РЕКОМЕНДАЦИИ и БУДУЩИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В этом отчете об оценке технологии охвачен широкий спектр тем и литературы, чтобы лучше понять будущий потенциал LED-SSL и воздействие на окружающую среду (как положительное, так и отрицательное), которое может сопровождать широкое использование этой технологии.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ РОЛЬ Агентства по охране окружающей среды в сфере твердотельного освещения

Хотя технология LED-SSL быстро развивается, все еще существуют препятствия, прежде чем она сможет вытеснить используемые в настоящее время технологии освещения в приложениях общего освещения. Агентство по охране окружающей среды еще не участвовало в семинарах и встречах SSL, на которых собирались заинтересованные представители промышленности, правительства и торговых ассоциаций. Однако, учитывая воздействие SSL на окружающую среду – как положительное, так и отрицательное – следует рассмотреть возможность участия Агентства по охране окружающей среды в будущих встречах SSL между представителями промышленности и правительства, чтобы гарантировать, что всем воздействиям на окружающую среду будет уделяться адекватное внимание, пока эта технология все еще находится в зачаточном состоянии. Хотя в этом отчете были подняты некоторые вопросы потенциального воздействия на окружающую среду, особенно связанные с использованием опасных материалов в LED-SSL, потенциальная потребность в экологическом регулировании требует дальнейшего анализа.

В результате этого исследования были разработаны рекомендации по участию Агентства по охране окружающей среды в будущих исследованиях. Эти рекомендации сгруппированы по трем основным направлениям: токсикологическое воздействие, предотвращение загрязнения и устойчивость продукции и, наконец, энергоэффективность.

Во-первых, в результате обзорной оценки жизненного цикла, включенной в этот отчет, рекомендуется провести дальнейшую токсикологическую работу и работу по оценке рисков для определения воздействия на окружающую среду широкого использования сложных полупроводников. Хотя были проведены некоторые исследования воздействия этих металлов и их соединений на окружающую среду, реальный риск, который эти материалы представляют для экосистем и здоровья человека, не был оценен. Это может быть особенно важно из-за вероятности того, что LED-SSL станет широко использоваться. Текущее производство этих составных полупроводников имеет очень низкие выходы, и поэтому существует возможность стимулировать предотвращение загрязнения и переработку во время производства.

Во-вторых, SSL — это технология, которая быстро совершенствуется; но все еще находится в зачаточном состоянии в отношении приложений общего освещения (Цао, 2004). Следовательно, хотя разработка и проектирование LED-SSL все еще находится в зачаточном состоянии, есть возможность гарантировать, что эти будущие технологии освещения действительно устойчивы. Это может включать разработку альтернатив использованию мышьяка в продуктах LED-SSL. Кроме того, различные варианты (а также экономическая и техническая осуществимость) сбора, повторного использования или переработки отходов по окончании срока службы не были полностью изучены, но, вероятно, будут становиться все более важными, поскольку страны по всему миру требуют, чтобы производители принимали обратно и предоставляли для безопасной переработки и/или окончательной утилизации своих электронных продуктов.

Последний важный момент касается потенциала SSL в обеспечении значительной экономии энергии. Согласно нескольким сценариям, такая энергосбережение может сократить выбросы CO2 по сравнению с прогнозируемыми уровнями 2025 года либо на 0,9%, либо на 2,5%. Такие программы, как программа ENERGY STAR EPA/DOE, оказались успешной платформой для ускорения разработки и распространения новых энергоэффективных технологий. Разработка этикеток для экономичных белых светодиодов-SSL для общего освещения в будущем также может увеличить и ускорить проникновение на рынок энергоэффективных SSL.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ТАБЛИЦА ТЕХНОЛОГИЙ ОСВЕЩЕНИЯ

Классификация ламп и балластов

Люминесцентные лампы
Т5
Т8 – менее 4 дюймов
Т8 – 4 дюйма
Т8 – больше 4 дюймов
T8 – U-образный
Т12 – менее 4 дюймов
Т12 – 4 дюйма
Т12 – больше 4 дюймов
T12 – U-образный
Компактный – штифтовый
Компактный – Винтовой цоколь
Компактный – Штыревой цоколь – Встроенный отражатель
Компактный – Винтовой цоколь – цельный отражатель
Кольцевой формы
Индукционные газоразрядные
Разные флуоресцентные²

Лампы накаливания

Стандарт – общее обслуживание
Стандарт – встроенный отражатель
Галогенные – общее обслуживание
Кварцевые галогенные
Галогенные – встроенный отражатель – низкое напряжение
Низкая мощность (менее 25 Вт)
Разные лампы накаливания²

Разряд высокой интенсивности (HID)

Ртутные лампы
Металлогалогенные лампы
Натриевые высокого давления
Натриевые низкого давления¹
Ксенон¹
Безэлектродные (например, ртутный)¹

Твердотельные

LED
Электролюминесцентные

¹ Натриевые, ксеноновые и безэлектродные лампы низкого давления являются газоразрядными, но не высокой интенсивности. Они включены в эту категорию для удобства изложения. Безэлектродные лампы состоят в основном из ртутных ламп, возбуждаемых радиочастотами, но в эту категорию входят также серные лампы.
² «Разное» означает, что источник света не может быть отнесен к какой-либо другой категории либо потому, что он относится к другому типу (например, флуоресцентный Т4), либо потому, что он не указан в базе данных.
Источник: Таблица 2-3 (DOE, 2002)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СЛОВАРЬ ОСВЕЩЕНИЯ

Балласт: электрическое устройство, которое контролирует ток, подаваемый в лампу, и обеспечивает необходимое напряжение для запуска лампы. Со всеми газоразрядными лампами необходимо использовать балласт.

Цветовая коррелированная температура (CCT): мера цветового восприятия лампы, выраженная в градусах Кельвина (К).

Индекс цветопередачи (CRI): мера способности лампы точно передавать цвет освещаемого ею объекта. Шкала варьируется от 1 (натрий низкого давления) до 100 (солнце). Индекс цветопередачи 85 считается очень хорошим.

Эффективность: Энергоэффективность света. Эффективность рассчитывается путем деления количества излучаемого света (люменов) на мощность (ватты), потребляемую лампой.

Мощность лампы: показатель потребляемой мощности лампы, измеряемый в ваттах (Вт).

Светильник: «корпус», в котором размещена лампа, ее балласт и необходимая электроника и соединения.

Освещение: Свет, падающий на единицу площади, обычно освещающий объект.

Индикация: Свет, который обычно рассматривается напрямую, обычно используется в системах сигнализации.

Люмен (лм): измерение светоотдачи (светового потока) источника света.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ЕДИНИЦЫ И ПЕРЕВОДНЫЕ ФАКТОРЫ

Единицы

Gwh Гвч гигаватт-час
Kwh кВтч киловатт час
lm лм люмен
lm-h лм-ч люмен час
MJ МДж мега джоуль
Mlm Млм миллион люмен
Quads Кваддриллионы британских тепловых единиц (БТЕ)
Tlm-h Тлм-ч тералюмен час
TWh ТВт-ч тераватт-час
W Вт ватт

Используемые коэффициенты пересчета

Энергия объекта в первичную энергию 1 кВтч / 10 768 БТЕ
Выбросы углекислого газа от первичной энергетики 15,58 MMTCE/1 Quad.
Выбросы углерода к выбросам углекислого газа 1 / 3,67
1 МДж = 0,278 кВтч
1 ТВтч = 1 000 000 000 кВтч или 10¹² Втч
1 ГВтч = 1 000 000 кВтч или 10⁶ кВтч

ЛИТЕРАТУРА

Alic, J. A., Mowery, D. C., & Rubin, E. S. (2003). U.S. technology and innovation policies: Lessons for Climate Change: Prepared for Pew Center on Global Climate Change.

Atkinson, B., Denver, A., McMahon, J. E., Shown, L., & Clear, R. (1995). Energy-Efficient Lighting Technologies and Their Appliations in the Commercial and Residential Sectors. In CRC Handbook of Energy Efficiency (pp. 399-727). Boca Raton, FL: CRC Press.

Atkinson, B., McMahon, J. E., Mills, E., Chan, P., Eto, T., Jennings, J., et al. (1992). Analysis of Federal Policy Options for Improving U.S. Lighting Energy Efficiency: Commerical and Residential Buildings (No. LBL-31469). Berkeley CA.

Austen, I. (2004, January 8). Let There Be L.E.D.'s. New York Times.

Battles, S. J., & Burns, E. M. (1998). United States Energy Usage and Efficiency: Measuring Changes Over Time. Washington, DC: Energy Information Administration.

Becker, C. A. (2003). The Next Generation Lighting Industry Alliance- Making Solid State Lighting a Reality, DOE Solid State Lighting Workshop. Washington DC.

Bierman, A. (1998). LEDs: From Indicators to Illumination? Lighting Futures.

Brooks, W. E. (2003). Minerals Yearbook: Arsenic. Washington DC: U.S. Geological Society.

Brooks, W. E. (2004). Minerals Commodity Summaries: Arsenic . Washington, DC: U.S. Geological Survey.

Brown, M. A. (2001). Market failures and barriers as a basis for clean energy policies. Energy Policy, 29(14), 1197-1207.

Brown, R., Webber, C., & Koomey, J. (2000). Status and Future Directions of the ENERGY STAR Program. Paper presented at the 2000 ACEEE Summer Study.

Bullough, J. D. (2003). LED Lighting Systems, from http_www_lrc_rpi_edu/programs/NLPIP/lightingAnswers/led/abstract.asp

Calwell, C., & Zugel, J. (2003). Laying the Foundation for Market Transformation. Home Energy, 20.3.

Daly, K. (2000, February). Lamp disposal rules change. Lighting Futures, 4.

Davis, F. (1991). Engines of Energy Innovation: The Role of Smaller Manufactures of Efficient Lighting Products. Paper presented at the Right Light Bright Light, Stockholm, Sweden.

DOE. (2001). Energy Savings Potential of Solid State Lighting in General Lighting Applications. Washington, DC: Aurthur D. Little.

DOE. (2002). U.S. Lighting Market Characterization Volume I: National Lighting Inventory and Energy Consumption Estimate : Navigant Consulting Inc.

DOE. (2003a). Energy Savings Estimates of Light Emitting Diodes in Niche Lighting Applications. Washington D.C.: Prepared by Navigant Consulting Inc.

DOE. (2003b). Energy Savings Potential of Solid State Lighting in General Illumination Applications. Washington, DC: Navigant Consulting, Inc.,.

DOE. (2003c). Solid State Lighting Project Portfolio.

DOE. (2004). Illuminating the Challenges- Solid State Lighting Program Planning Workshop Report.

DOE, & OIDA. (2001). The Promise of Solid State Lighting for General Illumination: Light Emitting Diodes (LEDs) and Organic Light Emitting Diodes (OLEDs).

Dowling, K. (2003). Indicators point toward LED general illumination. Laser Focus World .

Drenner, T., Roland Haitz, Jeffery Tsao. (2001). A Market Diffusion and Energy Impact Model for Solid-State Lighting: Sandia National Laboratory.

EIA. (2003). Emissions of Greenhouse Gases in the United States 2002. Washington, DC.

EIA. (2004). Annual Energy Outlook 2004 with Projections to 2025.

EPA. (1997). Mercury Study Report to Congress. Washington, DC.

EPA. (2002). ENERGY STAR and Other Voluntary Programs 2002 Annual Report. Washington, DC.

EPA. (2004). Outreach Effort to Increase Recycling of Mercury-Containing Lamps. Retrieved August 3, 2004, from http_www_epa_gov/epaoswer/hazwaste/id/univwast/lamp.htm

Flora, S. J. S. (2000). Possible Heath Hazards Associated with the Use of Toxic Metals in the Semiconductor Industries. Journal of Occupational Health, 42, 105-110.

Gydesen, A., & Maimann, D. (1991). Life Cycle Analyses of Integral Compact Fluorescent Lamps Versus Incandescent Lamps. Paper presented at the Right Light Bright Light, Stockholm, Sweden.

Haitz, R., Kish, F., Tsao, J., & Nelson, J. (2000). Another Semiconductor Revolution: This Time It's Lighting!

IPCC. (2001). Climate Change 2001: A Synthesis Report.

Jaffe, A. B., & Stavins, R. N. (1994). The energy-efficiency gap. Energy Policy, 22(10), 804-810.

Jorgenson, J. D. (2004). Mineral Commodity Summaries: Indium. Washington, DC: US Geological Survey.

Karlicek, B., Steele, B., & Walker, B. (2004). "Dr. Bob" Tells us how White LEDs are Made. Compound Semiconductor, October 19, 2004.

Kramer, D. A. (2004). Mineral Commodity Summaries: Gallium. Washington, DC: US Geological Survey.

Martin, P. S. (2001). The future looks bright for solid-state lighting. Laser Focus World .

McColgan, M. (2003). Light Pollution. Troy, NY: National Lighting Product Information Program; Rensellaer Polytechnic Institute.

Narendran, N., & Deng, L. (2002). Color Rendering Properties of LED Light Sources. Paper presented at the Solid State Lighting II: Proceedings of SPIE.

NRC. (1998). Harnessing Light: Optical Science and Engineering for the 21st Century. Washington, D.C.

NRC. (2001). Climate Change Science: An Analysis of Some Key Questions. Washington, DC: National Academies Press.

NRC. (2002). Partnerships for Solid -State Lighting: Report of a Workshop. Washington D.C.

Plunkert, P. A. (2003). Mineral Commodity Summaries: Aluminum. Washington, DC: U.S. Geological Survey.

Poor, A. (2002, February 26). Flat-Out Brilliant. PC Magazine.

Raghavan, R., & Naredran, N. (2002, July 9-11, 2002). Refrigerated display case lighting with LEDs. Paper presented at the Solid State Lighting II: Proceedings of SPIE.

Rebitzer, G., Ekvall, T., Frischknecht, R., Hunkeler, D., Norris, G., Rydberg, T., et al. (2004). Life cycle assessment Part 1: Framework, goal and scope definition, inventory analysis and applications. Environmental International, 30, 701-720.

Robertson, K., Craine, S., Irvine-Halliday, D., & Stone, R. (2003). Solid State Lighting for Human Development. Paper presented at the NCPV and Solar Program Review Meeting 2003.

Sandia National Laboratory. (2004). Press Release: Sandia researchers use quantum dots as a new approach to solid-state lighting.

Steele, B. (2003, December 2003). HB-LEDs: the market drive towards solid-state lighting. Compound Semiconductor.

Strassberg, D. (2004, January 8, 2004). LEDs Glow in Anticipation. EDN.

Suozzo, M. (2001). LED Traffic Signal Market Transformation: An Undate with Boston-Area Case Studies. Washington, DC: American Council for an Energy-Efficient Economy.

Swartzbaugh, J. T., & Sturgill, J. A. (1998). Reduction of Arsenic Wastes in the Semiconductor Industry (No. EPA/600/R-02/089). Dayton, OH: University of Dayton Research Group.

Ton, M., Foster, S., Calwell, C., & Conway, K. (2003). LED Lighting Technologies and Potential for Near-Term Applications: Prepared for Northwest Energy Efficiency Alliance.

Tsao, J. (2004). Solid-State Lighting: Lamps, Chips and Materials for Tomorrow. IEEE Circuits & Devices Magazine, May/June 2004.

Tsao, J. (Ed.). (2002). Light Emitting Diodes (LEDs) for General Ilumination: An OIDA Technology Roadmap Update 2002. Washington, DC: Optoelectronics Industry Development
Assocation.

U.S. Census. (1999). 1997 Economic Census. Retrieved April 24, 2004, from http_www_census_gov/epcd/www/econ97.html

Uryu, T., Yoshinaga, J., & Yanagisawa, Y. (2003). Environmental Fate of Gallium Arsenide Semiconductor Disposal. Journal of Industrial Ecology, 7(2), 103-112.

Vorsatz, D., Shown, L., Koomey, J., Moezzi, M., Denver, A., & Atkinson, B. (1997). Lighting Market Sourcebook for the U.S.: Lawrence Berkeley National Laboratory.

Webber, C. A., & Brown, R. E. (1998). Savings Potential of ENERGY STAR Voluntary Labeling Program. Paper presented at the 1998 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings.

Wei, J., Zhu, H., & Wu, D. (2004). Carbon nanotube filaments in household light bulbs. Applied Physics Letters, 84(24), 4869-4871.

Whitaker, T. (2004). Lighting community outlines challenges for LED industry. Compound Semiconductor, March 2004.

Williams, E. D., Ayres, R. U., & Heller, M. (2002). The 1.7 Kilogram Microchip: Energy and Material Use in the Production of Semiconductor Devices. Environmental Science and Technology, 36(24), 5504-5510.

Yarwood, J. M., & Eagan, P. D. (2001). Design for the Environment Toolkit. Retrieved August 18, 2004, from http_www_moea_state_mn_us/berc/dfetoolkit.cfm

Zukauskas, A., Shur, M., & Gaska, R. (2002). Introduction to Solid-State Lighting. New York: John Wiley & Sons, Inc. 

<< Раздел VI