a led-ek alkalmazásának problémái - kihívások

Esztergomi Ferenc Giczi Imre

Mancz Ivette Pankasz László

Schwarz Péter Szabó Gergely

Vass László

HOFEKA Kft.Compass Világítástechnikai Kft.EDF Démász Zrt.ELMON Hungária Kft.Tungsram-Schréder Világítási Berendezések Zrt.Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemPercept Kft.

Moderátor: Nagy János MEE VTT elnöke

Mit akarnak a vevőink?

Bemenni a szobába,fényt kapcsolni,

és gyorsan elfelejteni, hogy egyáltalán lámpatestek is

vannak körülöttük!!

Ehhez a világítási környezetnek olyannak kell lennie,mint az igazságnak:

Ha van, azt észre sem vesszük,

Ha nincs, akkor nagyon hiányzik.

ZEB: zero energy buildingZEH: zero energy home

ZEO: zero energy outdoor??

2025-re tervezik a zero épület és zero otthon technológia

megvalósítását

Világítás és az egész:

A felhasznált energiából világításra fordítanak

25% részt a közületi szektorban, 12% részt a lakossági szektorban

CÉL:

2025-re a világításra fordított energia megfelezése !!

Ma csak a LED-nek van olyan fejlődési perspektívája, mellyel ez a cél elérhető

LED-modul:LED fényforrás+meghajtó

Cél 2027-re:

LED modul fényhasznosítás: 200lm/W !!!

LED-ek kiválasztásának szempontjai a gyártók

szemszögéből

ELMON

Szilícium lapka gyártás előtt

ELMON

Szilícium lapka - LED-ekkel

ELMON

Élettartam

ELMON

Válogatás fényhasznosítás szerint

ELMON

Válogatás színhőmérséklet szerint

ELMON

Válogatás színhőmérséklet szerint

ELMON

Válogatás színhőmérséklet szerint

ELMON

Összehasonlító diagram CRI/LED

ELMON

A LED világítás

Alacsony CRI/RA(70/75) Magas CRI/RA(93)

ELMON

A cél minden esetben: Megfelelő vizuális komfort kialakítása. Ez a belsőtér rendeltetésétől (funkciójától) függ (iroda, gyártócsarnok, kiállítótér, üzlet, stb.)

A vizuális környezet:-Belsőtér építészeti kialakításától (építész feladata)-Fény belsőtérbe való juttatása, elosztása (részben építész, részben világítástechnikusi feladat)

Vizuális környezet „belsőtér” * fény

L() () * E()L() () * E()

Káprázás veszélye:

A (teljesítmény) LED-es lámpatesteknél a kicsi felületről , sokszor kis térszögbe kisugárzott fényáram jelentős káprázást okozhat.

Többszörös árnyék – diszkomfort hatás:

Sok kis fényforrás „ = ” sok „víztiszta burájú” izzó

LED-es lámpatestek elhelyezése:

A nagy fényáram kis felületen történő kisugárzásának és a lámpatest fényeloszlásának együtteseként kialakuló fényviszonyok is kellemes látáskomfortot kell, hogy eredményezzenek.

Belsőtéri alkalmazás szempontjából érdemes lehet összehasonlítani egy kompakt fénycsővel szerelt lámpatestet egy LED-es fényforrással szerelttel.

Az összehasonlítás alapja minden körülmények között fénytechnikai és nem pedig elektromos kell, hogy legyen. A világítás, mint láttuk, csupán eszköze a kellemes látáskomfort kialakításának, nem pedig célja.

„Fény” mennyisége: Megvilágítás: E [lx]

lámpatestvill WP *][A

E

1.) csak fényforrás vagy

2.) tápegységgel együtt vizsgálva

Süllyesztett lámpatestek – beépítési gondolatok:

esetleges hőpárna kialakulása – túlmelegedés lehetősége kihatás az élettartamra

LÁMPATEST FELÉPÍTÉS

LED optika Tápegység

HŐLEADÁS 1

LED optikaTápegység

LED egység Táp

HŐLEADÁS 2

A világítási berendezés eredő fényhasznosítása:

LED-ek fényárama x optika hatásfokaLED-ek teljesítménye +tápegység vesztesége

Nagynyomású nátriumlámpa

LED

Na

LED

25 W LED+4 W táp

110 lm/W2750 lm

29 W95 lm/W

36 W FSD+9 W előtét

81 lm/W2900 lm

45 W65 lm/W16 W

80 W LED+12 W táp

110 lm/W8 800 lm

92 W96 lm/W

100 W Na+16 W előtét

107 lm/W10 700 lm

116 W92 lm/W24 W

Energia díj+Rendszerhasználati díjak+Adók

Mit jelent 1 W megtakarítás?

170 Ft megtakarítás évente W-onként

Megtakarított W-ok x

Pl: 20 W esetén

12 (év) x 170 Ft

41.000 Ft

Csere ?

Megtakarítás Csere költségek

1 lámpatest: 41.000 Ft

10 lámpatest: 410.000 Ft

100 lámpatest: 4.100.000 Ft

Lámpatest ára

? Munkadíj

Tartószerkezetek ára – azonos magasság, rögzíthetőség?

Lámpakar – a régi felhasználható?

Új közvilágítási hálózatBeruházási költségek

Lámpatestek ára

?Munkadíj

Tartószerkezetek ára – jobb fényeloszlás kevesebb oszlop?

Lámpakarok ára

Üzemeltetési költségek

Megtakarítás

1 lámpatest: 41.000 Ft

10 lámpatest: 410.000 Ft

100 lámpatest: 4.100.000 Ft

Új közvilágítási hálózat

Hagyományos fényforrással LED-es lámpák

Lámpatestek

Tartószerkezet

Lámpakarok

Munkadíj

Beruházás

Üzemeltetési feladatok

Karbantartási feladatok

Hagyományos fényforrással LED

Szüks. Gyak. Szüks. Gyak.

Fényforrás csereMűködtető elektronikus egységek cseréjeBura tisztítás

Tartószerkezet karbantartása

1x2x3x

igen 3x

Előfor-dulhat

1x

igen

igen

3x

azonos

nem 0

igen

igen 3x

igen azonos

Üzemeltetési költségek mérlege

Hagyományos fényforrással

LED

?

>=Üzemeltető vállalja a kockázatot

Összefoglalás

Új közvilágítási hálózat létesítése esetén már lehet gazdaságosabb a LED-es világítótest alkalmazása.

Kisebb beépített teljesítmény = kevesebb energiafogyasztás = alacsonyabb költségek

Csak akkor, ha az eszközök emelkedő minőségi

szintjéhez drasztikus árcsökkenés párosul!!

LED FORRÁS KÖLTSÉGVÁLTOZÁSA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

2009 2010 2012 2015 2020

tokozásszelet technSubstrateEpitaxyFoszfor

LED LÁMPATEST ÁRÁNAK VÁLTOZÁSA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

2009 2010 2012 2015 2020

LED egységMegmunkálás/hőkontrollmeghajtóösszeszerelésoptika

Edison lámpa költségei anno

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1881 1882 1883 1884 1885 1886 1887

USD Adatsor1

A LED világítás jövőjeBecslések három—öt évre előre

Bevezető: Általános megjegyzések a változásokról.

• 1.,Korlátlan növekedés -> exponenciális görbe• Példa : robbanás

Korlátlan növekedés

0 ,0 0 0

20 0 ,0 0 0

40 0 ,0 0 0

60 0 ,0 0 0

80 0 ,0 0 0

10 0 0 ,0 00

12 0 0 ,0 00

1 3 5 7 9 1 1 13 1 5 1 7 19 21 2 3 2 5 2 7 29 31

• 2.,Korlátos növekedés -> telítési jelenség• Példa : baktérium tenyészet növekedése edényben

Korlátos növekedés, telítődés

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

A kettő valójában ugyanaz, a fenti, korlátlan növekedés előbb-utóbb korlátossá válik.

• Az előadásban két állításom szerepel.• Az első állítás: a LEDek hatásfokának növekedése jól követi

a második görbét. Jelenleg nagyjából fele értéknél tartunk, ( Adatok: most kb 120—150 lm/W a hatásfok, míg a telítési érték várhatóan 250—280 lm/W körül lesz. )

• A második állítás: elsősorban ez a triggerhatás indítja egy hosszabb időskálán a LEDek világítástechnikai alkalmazásának robbanásszerű elterjedését.

Korlátos növekedés, telítődés

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

Korlátlan növekedés

0 ,00 0

20 0 ,0 00

40 0 ,0 00

60 0 ,0 00

80 0 ,0 00

1 00 0 ,0 00

1 20 0 ,0 00

1 3 5 7 9 11 1 3 1 5 17 19 2 1 23 25 2 7 29 3 1

• Nézzük a bizonyításokat!

• Az első állítás szinte magától értetődő

Korlátos növekedés, telítődés

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

• A második állítás bizonyításához már több megfontolás kell.

• 1. Transzformátor méretezés

2. 10 Klumen előállítása különböző hatásfokú LEDdel.

Hatásfok [ lm /W ]

LEDek szám a

Betáplált teljesítm ény [ W ]

E lvezetendő hőáram [ W ]

F ényáram [ lm ]

140 60 72 54 10’000

280 30 36 18 10’000

• Egyébb hatások is elősegítik a gyors elterjedést.

• 3. Növekszik a maximális réteghőmérséklet. Most 150 ºC,közeljövőben várható a 170 ºC fölött ( SiC anyag )

• 4. Javul a színvisszaadás ( Kvantum pötty LED)

Utolsó megjegyzésem: Ki kellene használnunk a szűk rést, amibe még beleférünk.

A folyamat minden részéhez professzionális teljesítmény

szükséges.

Csak így hozható létre megfelelő eredmény .

Megoldandó feladat van tömegével:

Az ehhez szükséges mérnöki feladatok, kihívások

LED források•Elektromos tulajdonságok

•Hőmérsékleti tulajdonságok

•Optikai tulajdonságok•LED öregedés

Elektronikai fejlesztés•Tápegységek

•Optikai és termikus visszacsatolás

•Hálózati viselkedés

•Optikai tervezés•Fényerősségeloszlás

•Színkeverés•Aktinikus sugárzás

•Diffrakciós és holografikus elemek

Hőkontroll•LED hőmérséklet függései

•Hűtőborda anyagok és szerkezetek

•A hőtovábbítás anyagai•Heat pipes

•Peltier hűtők

•Fotometria•Megfelelő minősítő

protokolok•Abszolút fotometria

Színtan

•Színstabilitás•Színvisszaadás

•Spektrális eloszlás•LED színesség (chromaticity)

65

Az CIE által ajánlott mezopos Az CIE által ajánlott mezopos fotometria alkalmazása fotometria alkalmazása

az MSZ EN 13201 szabvány az MSZ EN 13201 szabvány szerinti ME útosztályok esetén szerinti ME útosztályok esetén

A mezopos fotometria határaiA mezopos fotometria határai

Útvilágítás vizuális feladatai Útvilágítás vizuális feladatai

67

Világosság érzet , kontraszt és az Világosság érzet , kontraszt és az útvilágítási feladat összefüggéseútvilágítási feladat összefüggése

68

Útvilágítás vizuális feladata

Világosság érzet Mezopos fénysűrűség kontraszt

•Akadály felismerés •Tárgy észlelése

•Észlelési idő

•Felismerés (fotopos!)

Csapok és pálcikák eloszlása a Csapok és pálcikák eloszlása a retinán retinán

69

Csap Csap csúcscsúcs

PálcikákPálcikák

Csap Csap csúcscsúcsPálcika Pálcika

csúcscsúcs

CsapoCsapokk

Fotopos, szkotopos és mezopos Fotopos, szkotopos és mezopos fotometriafotometria

• Fotopos fénysűrűség:Fotopos fénysűrűség:•

• Szkotopos fénysűrűség:Szkotopos fénysűrűség:

• Mezopos fénysűrűség:Mezopos fénysűrűség:

70

CIE 191:2010 MES2 mezopos CIE 191:2010 MES2 mezopos fotometriai modellfotometriai modell

• M M ((mm) normalizáló konstans, ) normalizáló konstans, • m m =1, ha =1, ha LLmesmes > 5,0 cd/m> 5,0 cd/m22

• m m =0, ha =0, ha LLmesmes < 0,005 cd/m < 0,005 cd/m22 • Az iterációt mAz iterációt m00 =0,5-ről =0,5-ről

indítjukindítjuk• VVmesmes mm függése: függése:

71

Mezopos fénysűrűség változása a fotopos Mezopos fénysűrűség változása a fotopos fénysűrűségekhez képest a MES2 modell fénysűrűségekhez képest a MES2 modell

alapján alapján ( CIE 191)( CIE 191)

Fotopos fénysűrűség cd·m-2-benPhotopic luminance in cd·m-2

Class ME6 ME5 ME3 ME2 ME1 S/P 0,01 0,03 0,1 0,3 0,5 1 1,5 2 3 5

k. ny. Na 0,25 -75% -52% -29% -18% -14% -9% -6% -5% -2% 0%0,45 -55% -34% -21% -13% -10% -5% -4% -3% -2% 0%

n. ny. Na 0,65 -31% -20% -13% -8% -6% -4% -3% -2% -1% 0%0,85 -12% -8% -5% -3% -3% -2% -1% -1% 0% 0%1,05 4% 3% 2% 1% 1% 1% 0% 0% 0% 0%1,25 18% 13% 8% 5% 4% 3% 2% 1% 1% 0%

Fémhalogén, meleg 1,45 32% 22% 15% 9% 7% 5% 4% 3% 1% 0%

1,65 45% 32% 21% 13% 10% 7% 5% 4% 2% 0%1,85 57% 40% 27% 17% 13% 9% 6% 5% 3% 0%

LED, hideg 2,05 69% 49% 32% 21% 16% 11% 8% 6% 3% 0%2,25 80% 57% 38% 24% 19% 12% 9% 7% 4% 0%2,45 91% 65% 43% 28% 22% 14% 10% 8% 4% 0%

Fémhalogén, hideg 2,65 101% 73% 49% 31% 24% 16% 12% 9% 5% 0%

72

Mezopos fénysűrűség változása a Mezopos fénysűrűség változása a fotopos fénysűrűségekhez viszonyítva a fotopos fénysűrűségekhez viszonyítva a

MES2 modell alapjánMES2 modell alapján (Saját számítás)(Saját számítás)

73

Útosztály ME6 ME5 ME4 ME3 ME2 ME1

Lp (Szabvány követelmény fotopos), cd/m2

0,010 0,030 0,100 0,30 0,50 0,75 1,00 1,50 2,00 3,0 5,0

(LmN-Lp)/Lp (Na lámpával)

-31% -20% -13% -8% -6% -5% -4% -3% -2% -1% 0%

(LmA-Lp)/Lp ("A" LED-del, semleges fehér)

32% 22% 15% 9% 7% 6% 5% 4% 3% 1% 0%

(LmB-Lp)/Lp ("B" LED-del, semleges fehér)

51% 36% 24% 15% 12% 10% 8% 6% 5% 3% 0%

(LmC-Lp)/Lp ("C" LED-del, hideg fehér)

59% 42% 28% 18% 14% 12% 9% 6% 5% 3% 0%

Mezopos fénysűrűség változása a fotopos Mezopos fénysűrűség változása a fotopos fénysűrűségekhez viszonyítva a MES2 modell fénysűrűségekhez viszonyítva a MES2 modell

alapján alapján (Saját számítás)(Saját számítás)

74

Útosztály ME6 ME5 ME4 ME3 ME2 ME1

Lp (Szabvány követelmény fotopos), cd/m2

0,010 0,030 0,100 0,30 0,50 0,75 1,00 1,50 2,00 3,0 5,0

LpB ("A" LED fotopos fénysűrűsége, ha a Na lámpával azonos látási teljesítmény nyújt mezopos adaptációt mellett), cd/m2

0,005 0,020 0,076 0,25 0,44 0,67 0,91 1,40 1,90 2,9 5,0

LpA ("A" LED fotopos fénysűrűsége, ha a Na lámpával azonos látási teljesítmény nyújt mezopos adaptációt mellett), cd/m2

0,005 0,018 0,070 0,24 0,42 0,65 0,89 1,37 1,87 2,9 5,0

LpC ("C" LED fotopos fénysűrűsége, ha a Na lámpával azonos látási teljesítmény nyújt mezopos adaptációt mellett), cd/m2

0,004 0,017 0,068 0,23 0,41 0,64 0,88 1,37 1,86 2,9 5,0

ÖsszefoglalásÖsszefoglalás

• Mezopos fotometria csak a perifériális látómezőben érvényes (csak akadály észlelés és annak ideje)

• A centrumban (2°) az észlelés mindig fotopos (tárgy felismerés)

• A kékben gazdag fény (mezopos) fénysűrűség növelő szerepe csak kisebb megvilágítású utak esetén számottevő (ME6 ~ 20%, ME1 ~ 5%)

• Az egyes LED-ek közötti különbség csak a második/harmadik értékes számjegyben jelentkezik

• Érdemes-e a hideg színhőmérsékletű LED-eket preferálni?

• Még nem szerepel egyetlen szabványban sem

75

Esztergomi Ferenc Giczi Imre

Mancz Ivette Pankasz László

Schwarz Péter Szabó Gergely

Vass László

HOFEKA Kft.Compass Világítástechnikai Kft.EDF Démász Zrt.ELMON Hungária Kft.Tungsram-Schréder Világítási Berendezések Zrt.Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemPercept Kft.

Moderátor: Nagy János MEE VTT elnöke

Köszönjük figyelmüket!