На протяжении многих лет прогресс в светодиодных технологиях измерялся главным образом максимальным значением светоотдачи. От этого параметра во многом зависела энергоэффективность светильников. Сначала светоотдача быстро росла, потом скорость роста уменьшалась, а сейчас она вообще стоит на месте. В данной статье мы попробуем разобраться, с чем это связано и какие будут последствия для светотехнической отрасли.
Когда в 2009 г. светодиоды преодолели предел светоотдачи в 100 лм/Вт, их использование вместо люминесцентных ламп стало экономически выгодным.
Десять лет тому назад японская компания NICHIA представила серию светодиодов 757, в ней была топовая модель, впервые в мире для серийной продукции имевшая светоотдачу 200 лм/Вт. В 2021 г. был освоен серийный выпуск светодиодов со светоотдачей 210 лм/Вт, после чего в новостях перестали появляться сообщения об очередных рекордах в этой сфере. По состоянию на 2024 г. самая большая светоотдача у серийно выпускаемых светодиодов находится на уровне 211 лм/Вт. Неужели достигнут предел для данного параметра? Для того, чтобы понять, так ли это, сначала рассмотрим, от каких факторов зависит светоотдача.
Световая эффективность
Светоотдача определяется как отношение светового потока к мощности, потребляемой источником света. В свою очередь, световой поток представляет собой световую величину, оценивающую поток излучения по его действию на селективный приемник света (человеческий глаз), спектральная чувствительность которого определяется функцией относительной спектральной световой эффективности излучения.
Абсолютное значение световой эффективности излучения K (λ) для монохроматического источника света вычисляется по формуле:
K (λ) = KmV(λ), (1),
где Km — коэффициент, связанный с системой измерений, V(λ) — относительная спектральная световая эффективность, принимающая значение 1 при длине волны, где чувствительность глаза наибольшая. Для международной системы измерений СИ принято Km = 683 лм/Вт, функция V(λ) определяется Международной комиссией по освещению, пик чувствительности человеческого глаза приходится на 555 нм.
Для спектра, имеющего конечную ширину, све-товая эффективность вычисляется по формуле:
где Φe,λ( λ) — спектральная плотность потока из-лучения источника света.
Важно, что световая эффективность зависит только от параметров спектра излучения и кри-вой спектральной чувствительности глаза. Светоотдача может быть вычислена на основе данных по световой эффективности согласно формуле:
η = NsK, (3),
где Ns — КПД источника света.
В том случае, если мы имеем дело с источником света, где 100% потребляемой электроэнергии превращается в видимое излучение, значение светоотдачи будет равно значению световой эффективности. Для реально существующих источников света светоотдача будет всегда меньше значения световой эффективности, так как их КПД меньше 100%.
Самое большое значение световой эффективности, равное 683 лм/Вт, соответствует монохроматическому источнику с длиной волны 555 нм (цвет молодой листвы). В случае широкого спектра, характерного для осветительных светодиодов, K принимает значительно меньшие значения.
В [Л] приведены результаты математического моделирования для идеальных источников света, представляющих собой абсолютно черные тела. При моделировании отсекались составляющие, спектральная плотность которых, нормированная на кривую чувствительности глаза (так называемая фотопическая оценка), лежала ниже заданного порога. Варьируя значение указанного порога, были получены различные значения индекса цветопередачи CRI. Кроме этого, отсечение части спектра приводило к сдвигу коррелированной цветовой температуры. Наиболее важные для нас данные из этого исследования приведены в табл. 1.
Значения световой эффективности, приведенные в табл. 1, определяются фундаментальными физическими законами и не привязаны к конкретной технической реализации источника света. Если на смену светодиодам придут лазерные и эксимерные источники света, световая эффективность будет той же.
Предельное значение светоотдачи
Значение КПД светодиодов белого свечения равно:
Ns = NcNpNr, (4),
где Nc — КПД чипа синего (фиолетового свечения), Np — КПД люминофора, Nr — КПД отражателя.
Отдельно следует остановиться на параметре Nr. В подавляющем большинстве светодиодов оптическая ось направлена перпендикулярно лицевой поверхности полупроводникового чипа. Но основной поток светового излучения идет из торцевых поверхностей чипа. Чтобы направить свет в нужную сторону, чип размещают внутри миниатюр-ного отражателя. КПД этого отражателя приблизительно равен 80%.
На момент написания статьи наибольшие значения для серийно выпускаемых светодиодов составляли Nc = 83% и Np = 97%. Согласно формуле (4), Ns = 64,4%. Берем из табл. 1 максимальное значение K = 348 лм/Вт.
Подставляя в формулу (3), получаем предельное значение светоотдачи, которое можно получить от светодиода при нынешнем уровне развития технологий: η = 224 лм/Вт. Это значение соответствует CRI на уровне 68,6 и цветовой температуре 4646 K. Рекордное значение для серийно выпускаемых светодиодов с CRI на уровне 70 и цветовой температурой 5000 K составляет 211 лм/Вт. Разница по светоотдаче между расчетным пределом и реально достигнутым максимальным значением — в пределах разброса параметров при производстве.
Как можно изменить ситуацию? Предположим, такой вариант. Вложив большие средства в научные исследования, каким-то образом удалось снизить потери в полупроводниковом чипе в 2 раза. Тогда получим Nc = 91,5%. КПД светодиода достигнет 71%, максимально возможное значение светоотдачи повысится до 247 лм/Вт, т. е. увеличится всего на 10%. Вряд ли вложения в повышение светоотдачи на столь малую величину окупятся за счет экономии электроэнергии.
Отсюда следует вывод — возможности роста светоотдачи для светодиодов действительно исчерпаны. Формально данный показатель еще не дошел до своего физического предела, тем не менее дальнейшее увеличение потребует значительных затрат, которые себя не окупят.
Кроме этого, все большее внимание уделяется качеству спектра освещения, в том числе и в связи с защитой природы. Например, не следует устанавливать на магистралях светильники, имеющие цветовую температуру выше 4000 K, поскольку они привлекают насекомых, которые гибнут и тем самым птицы лишаются кормовой базы. В России уличные светильники с цветовой температурой выше 4000 K запрещены на трассах, находящихся в ведении Росавтодора, а также в некоторых городах, где такой запрет существует на уровне принятых концепций светоцветовой среды. При этом в Москве и некоторых других городах используют-ся уличные светодиодные светильники, дающие теплый оттенок белого цвета. В офисном освещении значение CRI больше 90 постепенно становится стандартом де-факто. Да и на производстве с развитием высокотехнологичных отраслей тоже все чаще стремятся устанавливать светильники с CRI больше 90, так как это позволяет улучшить различение мелких деталей. Тем самым повышается производительность труда, что по нынешним временам имеет большое значение. Для теплого белого цвета и высоких значений CRI световая эффективность, согласно таблице 1, не превышает 300 лм/Вт, что в реальности дает светоотдачу не более 193 лм/Вт.
Последствия для светотехнической отрасли
Раньше лидерами светодиодной индустрии были компании из США и стран Евросоюза. Близость к ведущим мировым исследовательским центрам позволяла им оперативно получать самые современные технологии, постоянно увеличивая значение светоотдачи для своей продукции. Когда в конце 2010-х годов темпы роста светоотдачи замедлились, былые американские и европейские лидеры ушли с рынка светодиодов широкого применения. Теперь конкуренция идет в основном по линии соотношения цена/качество, а здесь китайские компании — безусловные лидеры.
Повышение энергоэффективности в наши дни связано главным образом с внедрением «умных» систем управления, которые включают свет только тогда, когда нужно, и поддерживают освещенность на оптимальном уровне. Применительно к уличному освещению — система управления прогнозирует плотность движения автомобилей по данной улице и заранее устанавливает освещенность на соответствующем ему уровне. И, кстати, многие из былых «грандов» светодиодной промышленности сейчас активно вкладывают деньги в развитие «умного» освещения. Продолжается совершенствование светодиодных драйверов в направлении повышения КПД.
Несмотря на то, что верхняя граница светоотдачи у светодиодов давно уже не меняется, если мы возьмем среднее значение светоотдачи конечного оборудования, то оно продолжает расти. Связано это со снижением цен на светодиоды, имеющие максимально высокое значение светоотдачи. В результате они более широко используются в светильниках.
По мнению автора статьи, есть еще один мощный фактор повышения энергоэффективности освещения, который пока почти не задействован — совершенствование оптических систем светильников. Речь идет не только и не столько о повышении КПД, сколько о том, чтобы направлять лучи света только туда, где нужно. Такое улучшение позволяет повысить энергоэффективность установки наружного освещения более чем в 1,5 раза. При этом снижается световое загрязнение окружающей среды, что делает светильник по-настоящему экологичным.
ЛИТЕРАТУРА:
Murphy T. W. Maximum spectral luminous effi cacy of white light // J. Appl. Phys. 111, 104909 (2012); doi: 10.1063/1.4721897