Сравнительный анализ источников света

Нас интересует целый ряд параметров ламп, определяющих, насколько они применимы в том или ином проекте (как говорят светотехники, в осветительной установке). Во-первых, это характеристики, определяющие количество света, которое дает та или иная лампа. Прежде всего, это световой поток в люменах, значение которого всегда приводится в каталогах. Например, установленная в люстре лампа накаливания мощностью 100 Вт может иметь световой поток в 1200 Лм, 35-ваттная "галогенка" – 600 Лм, а натриевая лампа мощностью 400 Вт в светильнике, освещающем проезжую часть, – 48 000 Лм. Легко заметить, что разные типы ламп имеют разную световую отдачу, определяющую эффективность преобразования электрической энергии в свет и, следовательно, разную экономическую эффективность применения.

    О световой отдаче

    
   Световую отдачу лампы измеряют в Лм/Вт ("люменов с ватта", имея в виду, что каждый ватт потребленной электроэнергии "преобразуется" в некоторое количество люменов светового потока). Это наиболее важный параметр лампы с точки зрения энергосбережения, и прогресс источников света – это в большой степени увеличение световой отдачи, ее приближение к теоретическим пределам. Эти пределы, то есть максимальные значения световой отдачи при "идеальном" преобразовании электроэнергии в свет, можно оценить для разных типов ламп. Для этого нужно вспомнить соотношение между воспринимаемым человеческим глазом светом (система световых величин, в том числе и световой поток, измеряемый в люменах) и мощностью излучения (измеряется, как и положено мощности, в ваттах). Это соотношение, или, попросту, чувствительность среднестатистического человеческого глаза, зависит от длины волны излучения и имеет максимум в желто-зеленой части спектра (555 нм). График такой зависимости – хорошо знакомая "кривая видимости" (рис. 1) – определяет, сколько люменов "видимого света" несет в себе каждый ватт лучистой энергии монохроматического ("одноцветного") излучения той или иной длины волны. При идеальном (без потерь) преобразовании электроэнергии в свет кривая видимости как раз и покажет максимальную световую отдачу источника света заданного цвета излучения. Так, для 555 нм мы получим "абсолютный рекорд" световой эффективности – 683 Лм/Вт, а, скажем, для 630 Нм (красный цвет) – всего 180 Лм/Вт. Лампы, дающие белый свет, представляющий собой смесь разных излучений, могут иметь разный спектр: линейчатый, полосатый, сплошной. В зависимости от спектра максимально возможная световая отдача может быть разной. В табл.1. представлены типичные и максимальные теоретически возможные значения световой отдачи для разных типов ламп.

рис.1

Таблица 1.

    Качество цвета и света

   С количественными, энергетическими, характеристиками ламп очень тесно связаны параметры, определяющие качество света, – цветовая температура и цветопередача. "Цветность" белого света обязательно должна учитываться дизайнером при выборе ламп для той или иной установки. В жилых интерьерах традиционно используются лампы теплого тона (Tцв=2700–3000 К), способствующие отдыху и расслаблению. В свете таких ламп наиболее естественно выглядят лица людей. В офисных интерьерах уместнее более "холодные" лампы. Лампы с Tцв=4000–4200 К прекрасно подходят для ландшафтного освещения, подчеркивая изумрудную зелень растений, тогда как, скажем, стандартные галогенные лампы с Tцв=3000 К для этой цели слишком "желтят". Очень интересный эффект может дать вдумчивое использование ламп разных спектров. В световой архитектуре информация, содержащаяся в цветности света, используется для организации пространства: автомобильные магистрали традиционно выделяются желто-золотым светом натриевых ламп, пешеходные пространства – более холодным светом. Сходные приемы могут применяться и в интерьере. Цветопередача, пожалуй, еще более важный параметр, о котором, к сожалению, часто забывают. Чем более сплошной и равномерный спектр имеет лампа, тем более различимы цвета предметов в ее свете. Главный для нас источник света – Солнце – имеет сплошной спектр излучения и наилучшую цветопередачу, при этом Тцв меняется от 6000 К в полдень до 1800 К в рассветные и закатные часы. К сожалению, далеко не все лампы могут сравниться с Солнцем. Если искусственные источники теплового излучения – традиционные и галогенные лампы накаливания – благодаря сплошному спектру не имеют особых проблем с цветопередачей, разрядные лампы, имеющие в своем спектре полосы и линии, зачастую передают цвета предметов довольно своеобразно. В каталогах ламп производители, как правило, указывают общий индекс цветопередачи Ra, определяемый на основании оценки качества передачи цвета 8 эталонных цветных образцов. Ra тепловых ламп равен 100 (максимальное значение), для разрядных он колеблется от 20 (натриевые лампы) до 95 и даже 98. Правда, Ra не позволяет сделать вывод о характере передачи цветов, а иногда даже может дезориентировать дизайнера. Так, люминесцентные лампы с трехполосным люминофором (Ra=80) и белые светодиоды (декларируется Ra до 85) имеют Ra, соответствующий "хорошей" цветопередаче. Зачастую они неудовлетворительно передают некоторые цвета. Задачей дизайнера (архитектора), проектирующего тот или иной интерьер (экстерьер), является тщательный подбор ламп для обеспечения требуемого качества цвета и света. Источники света – один из самых массовых товаров, производимых человеком. Ежегодно производится и потребляется несколько миллиардов ламп, львиную долю которых пока составляют лампы накаливания. Стремительно растет потребление современных ламп – компактных люминесцентных, натриевых, металлогалогенных. Заманчивые перспективы в энергосбережении, да и в дизайне осветительных остановок обещают ультрасовременные светодиоды. Происходящие качественные изменения позволяют надеяться, что источники света в новом тысячелетии станут важным инструментом архитектора, проектировщика, просто творческого человека – главного действующего лица наступающей эпохи дизайна.
  

    Лампы накаливания
    Вольфрамовая спираль, помещенная в колбу, из которой откачан воздух, разогревается под действием электрического тока. За более чем 120-летнюю историю ламп накаливания (ЛН) их было создано огромное множество – от миниатюрных ламп для карманного фонарика до киловаттных прожекторных. Типичная для ЛН световая отдача 10–15 Лм/Вт выглядит очень неубедительно на фоне рекордных достижений ламп других типов. ЛН в большей степени нагреватели, чем осветители: львиная доля питающей нить накала электроэнергии превращается не в свет, а в тепло. В связи с этим сплошной спектр лампы накаливания имеет максимум в инфракрасной области и плавно спадает с уменьшением длины волны (см. спектры на стр. 96). Такой спектр определяет теплый тон излучения (Tцв=2400–2700 К) при отличной цветопередаче (Ra=100). Срок службы ЛН, как правило, не превышает 1000 часов, что, по современным меркам, очень немного. Что же заставляет людей покупать (15 млрд в год!) столь неэффективные и недолговечные источники света? Кроме силы привычки и крайне низкой начальной цены (что, кстати, совершенно не означает, что применение ЛН экономически эффективно, причина этого в том, что существует огромный выбор декоративных типов стеклянных колб ЛН

    Галогенные лампы накаливания

    Хорошо знакомые дизайнерам интерьеров "галогенки" – это современный вариант ламп накаливания. Добавление галогенидов в колбу лампы, использование особых сортов кварцевого стекла, "останавливающего" ультрафиолет, "возвращение" теплового излучения на спираль лампы с помощью специальных отражателей – эти технологические новшества позволили сделать серьезный шаг вперед, выделив ГЛН в особый класс источников света. Световая отдача современных ГЛН составляет около 30 Лм/Вт. Типичное значение цветовой температуры – Тцв=3000 К. Существуют также ГЛН "дневного света" с Тцв=4000–4200 К и даже 6000 К. Цветопередача у них отличная (Ra=100). "Точечная" форма лампы позволяет управлять шириной "луча" в широких пределах с помощью миниатюрных отражателей. Получающийся при этом искристый, "бриллиантовый" свет определил приоритет ГЛН в интерьерном дизайне, где они стали фактическим стандартом. Еще одно их преимущество в том, что количество и качество света, даваемого лампой, постоянно в течение всего срока службы. Особенно популярны низковольтные ГЛН MR-11 и МR-16 (мощностью от 10 до 75 Вт), снабженные отражателем, позволяющим фокусировать луч в угле 8–380. Привычные в интерьере, благодаря возможности применения миниатюрных световых приборов они вытесняют традиционные лампы-прожекторы PAR в ландшафтных установках наружного освещения (освещение растительности, подводное освещение и т. д.). Недостатки ГЛН очевидны: недостаточная световая отдача и относительно короткий срок службы (в среднем 2000–4000 часов). Там, где эстетический компонент важнее экономического, с ними приходится мириться. В остальных случаях выручают типы ламп, описанные ниже.

    Люминесцентные лампы

    Люминесцентные лампы (ЛЛ) – разрядные лампы низкого давления – представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые, в свою очередь, заставляют нанесенный на стенки трубки люминофор излучать видимый свет. Два различных типа ЛЛ являются классическим примером компромисса в технике. Лампы с трехполосным люминофором более экономичны (световая отдача до 104 Лм/Вт), но обладают худшей цветопередачей (Ra=80), с пятиполосным люминофором имеют отличную цветопередачу (Ra=90-98) при меньшей световой отдаче (до 88 Лм/Вт),ЛЛ обеспечивают мягкий, равномерный свет, но распределением света в пространстве трудно управлять из-за большой поверхности излучения. Для работы люминесцентных ламп необходима специальная пускорегулирующая аппаратура (ПРА). Наиболее современны и экономичны электронные ПРА (ЭПРА), разработка которых является одним из самых перспективных направленийразвития современной светотехники. Одно из главных преимуществ ЛЛ – долговечность (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности ЛЛ стали самыми распространенными источниками света в офисах предприятий. В странах с мягким климатом ЛЛ широко применяются в наружном освещении городов. В холодных районах их распространению мешает падение светового потока при низких температурах. Если "закрутить" трубку ЛЛ в спираль, мы получим КЛЛ – компактную люминесцентную лампу. По своим параметрам КЛЛ приближаются к линейным ЛЛ (световая отдача до 75 Лм/Вт, Тцв=2700–6000 К, Ra=80 и более). Они прежде всего предназначены для замены ламп накаливания в самых разнообразных применениях.

 
    Разрядные лампы высокого давления

    Принцип действия разрядных ламп высокого давления – свечение наполнителя в разрядной трубке под действием дуговых электрических разрядов. Дуговые разрядные лампы намного старше ламп накаливания – в прошлом году электрической дуге исполнилось 200 лет. Два основных разряда высокого давления, применяемых в лампах, – ртутный и натриевый. Оба дают достаточно узкополосное излучение: ртутный – в голубой области спектра, натрий – в желтой, поэтому цветопередача ртутных (Ra=40–60) и особенно натриевых ламп (Ra=20–40) оставляет желать лучшего. Добавление внутрь разрядной трубки ртутной лампы галогенидов различных металлов позволило создать новый класс источников света – металлогалогенные лампы (МГЛ), отличающиеся очень широким спектром излучения и прекрасными параметрами: высокая световая отдача (до 100 Лм/Вт), хорошая и отличная цветопередача Ra=80–98, диапазон Tцв от 3000 К до 6000 К, средний срок службы около 15 000 часов. Один из немногих недостатков МГЛ – невысокая стабильность параметров в течение срока службы – успешно преодолевается с изобретением ламп с керамической горелкой. МГЛ успешно и разнообразно применяются в архитектурном, ландшафтном, техническом и спортивном освещении. Еще более широко применяются натриевые лампы. На сегодняшний день это один самых экономичных источников света (до 150 Лм/Вт). Огромное количество натриевых ламп используется для освещения автомобильных дорог. В Москве натриевые лампы часто "из экономии" используются для освещения пешеходных пространств, что не всегда уместно из-за проблем с цветопередачей.
 
     Светодиоды
     Полупроводниковые светоизлучающие приборы – светодиоды – называют источниками света будущего. Если говорить о современном состоянии "твердотельной светотехники", можно констатировать, что она выходит из периода младенчества. Достигнутые характеристики светодиодов (для белых светодиодов световая отдача до 25 Лм/Вт при мощности прибора до 5 Вт, Ra=80–85, срок службы 100 000 часов) уже обеспечили лидерство в светосигнальной аппаратуре, автомобильной и авиационной технике. Светодиодные источники света стоят на пороге вторжения на рынок общего освещения, и это вторжение нам предстоит пережить в ближайшие годы. Идея прямой замены ламп накаливания на светодиодные "аналоги" уже давно не воспринимается как фантастическая. "Прямые заменители" на базе светодиодов созданы как для низковольтных "галогенок" MR-11 и MR-16, так и для ламп с другими стандартными цоколями. Процесс "замены" быстрее всего протекает в "мобильных" приложениях (фонари для разного рода работ, карманные фонарики, велосипедные фары и т. д.). Еще более перспективны светодиодные модули – исключительный по гибкости "конструктор" для дизайнера, включающий разнообразные простейшие геометрические формы – линии, кольца, звезды, прямоугольники.. Подобно разноцветным пластиковым модулям LEGO светодиодные модули легко объединяются друг с другом и не менее легко присоединяются к любой поверхности. Если светодиоды открывают новую эру в освещении вообще, светодиодные модули – бесспорно, новая эра светодизайна. Осветительный прибор как автономное устройство перестает быть главным компонентом архитектурного и интерьерного освещения; мы делаем шаг "вглубь", встраивая, интегрируя свет в различные объекты, и получаем совершенно новую степень свободы в формировании световой среды, выходя на фантастический уровень детальности, согласованности, управляемости. Интереснейшие возможности открывают светодиодные осветители для оптоволоконных систем. Их экспансии явно мешает громоздкость, шумность и ненадежность используемых проекторов. Светодиодные осветители не имеют ни одного из перечисленных недостатков, зато имеют "нетипично" высокий для оптоволоконных систем КПД, а такой недостаток, как невысокий уровень светового потока, похоже, уже начинает терять актуальность.
 

     Световые приборы на основе СД
     Светодиодная экспансия в светотехнику началась со светосигнальных приборов, изначально основанных на применении цветного света. Здесь преимущества светодиодов особенно очевидны. Например, лампа на основе светодиодов AlInGaP красного цвета излучения потребляет в 100 раз (!) меньше электроэнергии и служит в 100 раз (!) дольше, чем обеспечивающая аналогичный эффект лампа накаливания с красным светофильтром.
Светофоры, автомобильные стоп-сигналы, сигналы поворота, габаритные и заградительные огни, дорожные знаки, навигационные знаки водных путей – в этих областях светодиоды стремительно захватывают лидерство (объем продаж только в США превысил полмиллиарда долларов и удваивается быстрее, чем раз в два года). Это и не удивительно: лампы накаливания в обычных светофорах требуют ежегодной замены, а светодиодные приборы служат 5–10 лет, потребляя при этом в 5–10 раз меньше электроэнергии (по тем же американским данным, новые светофоры "экономят" как минимум 400 млн кВт-ч в год).
 
     Революция в энергопотреблении
     Вырвавшаяся из недр твердого тела энергия света (правильнее сказать, освобожденная выдающимися отечественными и зарубежными учеными) поражает воображение. Можно смело сказать, что найден значительно более "прямой" путь преобразования электроэнергии в свет, чем все существовавшие до сих пор. То что на светодиоды сделаны крупные ставки, подтверждает факт существования долгосрочной программы финансирования фундаментальных исследований National Lighting Initiative из госбюджета США. Согласно этой программе департамент энергетики правительства США выделяет более $1 млрд в течение 11 лет. Есть надежда добиться роста эффективности белых светодиодов до 150 Лм/Вт в течение 20 лет. При этом уступить натиску твердотельных источников света придется не только лампам накаливания и люминесцентным, но и газоразрядным. Экономия электроэнергии при этом достигнет невероятной цифры в 1100 тераватт-часов в год. В своем выступлении в апреле 2007 г. Президент РФ В.В. Путин дал высокую оценку перспективам развития энергосберегающим технологиям и их востребованности не только в РФ, но и за рубежом. Вице-премьер Правительства РФ С.В. Иванов на совещании по вопросам развития современных технологий в апреле 2007 г. привел следующие результаты расчетов экономистов: замена во всех подъездах ламп накаливания на светодиодные лампы для дома даст экономию 100 млрд.руб в год.

   Преимущества светодиодов          
   Главный недостаток светодиодов — высокая цена
Безусловно, светодиоды — самый дорогой источник света. Пока цена одного люмена, излученного светодиодом, в сто раз выше, чем у галогенной лампы. Производители продолжают работать над удешевлением светодиодов и утверждают, что в ближайшие 2–3 года удастся снизить цену одного люмена примерно в десять раз, одновременно увеличив мощность светодиодов. Впрочем, так или иначе, речь идет о единовременных затратах. По оценкам специалистов, светодиодное освещение экономически себя оправдывает благодаря низкому энергопотреблению и низким эксплуатационным расходам.

источник: leds-on