Светодиодное солнце

Освещение — одна из областей, где находят применение ресурсо- и энергосберегающие технологии. Самая известная из них — высокоэффективные твердотельные источники света — светодиоды.
О потенциале энергосбережения, скрытом в осветительной технике, можно судить по объемам потребляемой электроэнергии и финансовым затратам на освещение в масштабах страны. В Беларуси доля электроэнергии, идущей на эти нужды, составляет около 18%. Учитывая, что республика ежегодно потребляет около 35 млрд кВт•ч, получим, что на эти цели расходуется около 6 млрд кВт•ч. С финансовой точки зрения это означает, что в свет ежегодно «превращается» около 600 млн долл.
Такой гигантский объем финансовых средств и электроэнергии отчасти обусловлен низкой эффективностью используемых в настоящее время источников света (ламп накаливания, галогенных и люминесцентных ламп). Недостатком ламп накаливания является то, что только 5% потребляемой ими электроэнергии преобразуется в свет, а оставшиеся 95% — в тепло. Кроме того, срок их службы не превышает 1—2 тыс. часов. Люминесцентные почти в 6 раз эффективнее и в 10—20 раз долговечнее, однако из-за содержания ртути их применение в будущем может быть ограниченно. Недостаток натриевых ламп — низкий коэффициент цветопередачи и желтый цвет свечения, что негативно сказывается на зрении человека. Таким образом, все они либо неэффективны и недолговечны, либо экологически небезопасны и вредны для зрения человека.
Какие же источники света в ближайшей перспективе станут альтернативой стандартным лампам? Большинство экспертов предсказывают, что это будут полупроводниковые светоизлучающие диоды. Они были изобретены сравнительно недавно — во второй половине XX в. Поначалу из-за небольшой эффективности их применяли исключительно в индикаторной технике. Однако в дальнейшем, по мере роста качественных показателей, области их применения стали расширяться. В настоящее время в лабораториях ведущих производителей светодиодов на экспериментальных образцах достигнута световая эффективность порядка 208 лм/Вт. Кроме этого светодиоды характеризуются большим сроком службы — от 50 до 100 тыс. часов (5—11 лет непрерывной работы), не содержат вредных веществ, виброустойчивы, а также электро- и взрывобезопасны.
Применение светодиодов позволит нашей стране существенно уменьшить расходы на освещение, а также улучшить экологическую обстановку в регионе. При этом возникает вопрос: нужно ли создавать отечественное производство светодиодной техники и светодиодов или достаточно ограничиться простым импортом соответствующей продукции? Принимая во внимание потенциальный объем белорусского рынка светодиодов — более 1,5 млрд долл., ответ очевиден: необходима своя производственная база. Учитывая это, руководство страны поддержало инициативу Национальной академии наук Беларуси по созданию в республике современного производства светодиодной техники. Реализация проекта возложена на Центр светодиодных и оптоэлектронных технологий (ЦСОТ) НАН Беларуси и Центрального конструкторского бюро. При этом ЦСОТ разрабатывает и осуществляет мелкосерийное производство светодиодной продукции, научно-техническое сопровождение проекта, а ЦКБ — крупносерийное производство.
Определены три этапа реализации проекта. На первом будет создано производство на основе импортной светодиодной элементной базы с максимальной степенью локализации выпуска остальных компонентов. В случае коммерческого успеха будет принято решение о целесообразности перехода на второй этап, который предусматривает организацию сборки (корпусирования) светодиодов на основе импортных кристаллов и материалов.
На третьем этапе появится собственное производство светодиодов по полному технологическому циклу, включая выращивание гетероструктур, резку пластин и т.д.
Реализация первого этапа, стартовавшего в 2009 г., подразумевает организацию выпуска светодиодных уличных светильников и светильников для жилищно-коммунального хозяйства (рис. 1а, б). Уже разработана конструкторская и технологическая документация, изготовлены опытные образцы, проведены лабораторные и натурные (рис. 2а, б) испытания, исследованы их эксплуатационные характеристики, приобретено и введено в эксплуатацию необходимое контрольно-измерительное и технологическое оборудование, создана производственная инфраструктура, проведены ремонт и оснащение помещений (рис. 3).
Выпуск опытной партии 120 уличных и 1 тыс. светильников для нужд ЖКХ намечен на 4-й квартал 2010 г. Проектная мощность производства рассчитана на выпуск 5 тыс. уличных светильников в 2011 г. и 30 тыс. — в 2013 г.
Кроме этого на предприятии разрабатываются светодиодные тепличные облучатели (рис. 2в), офисные светильники и прожекторы (рис. 1в). Использование тепличных облучателей позволяет существенно увеличить продуктивность выращивания растений экологически чистым методом, уменьшив при этом энергопотребление.
При разработке и производстве любой инновационной продукции первостепенное внимание должно уделяться ее качеству и техническим характеристикам. Применительно к светодиодным светильникам основным техническим параметром, определяющим конкурентоспособность изделия, является световая эффективность. Он показывает, насколько результативно генерируется, перераспределяется и выводится наружу излучение. Для максимизации световой эффективности требуется снижать потери в оптической системе, уменьшать тепловое сопротивление между кристаллами светодиодов и окружающей средой, повышать КПД схем электрического питания. Рассмотрим, как решаются данные задачи.
Элементная база
Известно, что в большинстве случаев даже у брендовых производителей светодиодов (Cree, Osram, Philips Lumileds, Nichia, Seoul Semiconductors) измеряемый световой поток не соответствует номинальному паспортному значению [1, 2]. Причина кроется как в маркетинговой политике, так и в методиках разбиновки светодиодов. В связи с этим на нашем предприятии создана система входного контроля параметров светодиодной элементной базы, светодиодных модулей и дисплеев, основанная на использовании комплекса прецизионного измерительного оборудования немецкой компании Instument Systems (рис. 4). Кроме того, предприятие оснащено калибровочной лабораторией. Совместно с Госстандартом проводится работа по аккредитации лаборатории и включении оборудования в Единый реестр средств измерения Республики Беларусь.
Оптическая система
Благодаря уникальному технологическому и измерительному оборудованию на создаваемом производстве имеется возможность оперативного прототипирования и исследования оптических элементов для светодиодной техники. На рис. 5 представлены измеренные с помощью гониофотометра SMS 10C кривые силы света светильников для нужд ЖКХ с различными вариантами плафонов. Последние отличаются текстурой поверхности и изготавливаются на собственном технологическом оборудовании методом 3D-фрезерования и вакуумной формовки. Анализ полученных данных позволяет рассчитать оптические потери в плафоне и принять решение о целесообразности его использования в серийно выпускаемом изделии.
Тепловая система
Обеспечение оптимальных тепловых режимов работы светодиодов — первостепенная задача, от решения которой зависят надежность и срок службы изделия. На рис. 6 показаны многокристальный светодиодный модуль, термограмма его поверхности и кинетика нагрева в различных точках поверхности образца: кристалл (SP01), плата (SP02), резистор (SP03). Контроль локальных мест перегрева позволяет определять слабые места в конструкции и своевременно (на этапе макетного образца) их устранять.
Электрическая система
Основные требования к блокам питания светодиодных уличных светильников — высокий КПД, расширенный диапазон рабочих напряжений, встроенные функции защиты от перенапряжений и перегрева, гальваническая развязка, высокая надежность, пылевлагозащищенность и грозозащита. Как правило, в светодиодной технике применяются покупные блоки питания. Однако практика показывает, что даже качественный и сертифицированный блок не гарантирует отсутствия проблем со светильником после его включения в сеть. Так, например, при подключении уличного светильника монтажник может перепутать фазы в момент включения/выключения электрического питания в производственных цехах, в которых установлено силовое оборудование (станки, машины). Наносекундные броски сетевого напряжения (рис. 7) могут вывести из строя блок питания, светодиодные модули и др.
При разработке светильников необходимо учитывать и такие нюансы, как устойчивость защитных покрытий к долговременному воздействию UV-излучения, влаги, температуры и других факторов окружающей среды. Светильники, особенно наружного применения, должны быть самоочищающимися, так как накопление на них грязи и пыли снижает эффективность теплорассеяния и, как следствие, надежность изделий. Для решения вышеуказанных задач корпусные детали покрываются защитным нанопокрытием на основе флуорокарбона, установка по нанесению которых также имеется в распоряжении создаваемого производства.
Несмотря на сравнительно небольшой срок реализации проекта, предприятие существенно продвинулась в разработке и создании производства светодиодов. Имеющееся контрольно-измерительное и технологическое оборудование, наработки и опыт позволяют нам достичь высоких технико-экономических показателей светодиодной продукции.