Светодиодные светильники для цехов и улиц

Светодиодные светильники для цехов и улиц.

Титков Сергей, генеральный директор ООО «СЕТИЛЮМЕН» Статья опубликована в журнале "Современная светотехника" №1 за 2014г.г

Светодиоды и светодиодные матрицы, как источники света для уличных и промышленных светильников, превосходят остальные источники практически по всем параметрам, но несмотря на это, уличные и промышленные светодиодные светильники далеко не всегда рассматриваются в проектах освещения. Причин этому несколько, одной из главных является высокая цена на уличные и промышленные светодиодные светильники, при этом по высокой цене можно купить как отличный продукт, который действительно проработает более 10 лет, так и светильник крайне низкого качества с непродуманной конструкцией. При составлении проектов уличного освещения поставщикам часто бывает легче продвинуть более привычный продукт, например светильники с металлогалогенными лампами (МГЛ) или натриевыми лампами, чем разбираться в преимуществах светодиодных светильников и обосновывать резкое подорожание проекта. Светильники с МГЛ и натриевыми лампами имеют высокие показатели и к настоящему времени пожалуй только они ещё могут составить конкуренцию светодиодным светильникам, но хороший светодиодный светильник всё равно лучше, чем ламповый светильник. Поэтому тем, кто продвигает ламповые светильники, приходится идти на различные ухищрения и завышения параметров для их продвижения в проектах. Недавний интересный пример: в конце прошлого года меня пригласили в качестве эксперта по проекту уличного освещения, рассматривался вопрос о выборе между светодиодными светильниками или светильниками с МГЛ (речь шла о МГЛ с керамической горелкой). Документально выигрывали светильники с МГЛ, проведённые сравнительные испытания показали явное превосходство светодиодных. Выяснилось, что сторонники МГЛ,   манипулируя техническими терминами, доказали (на «бумаге») преимущества их светильников. Кроме всего прочего, было заявлено, что светильники с МГЛ имеют:

- КПД светильника 85-89 %

- Световая отдача светильника - 116 лм/Вт

- Полезный (экономический) срок службы ламп, час 18000-30000

- Коэффициент использования светового потока 60 %

Показатели явно завышены в 2-3 раза, хотя на первый взгляд это в глаза не бросается. Когда называют КПД светильника в 85-89 % , то чаще всего выдают за него выдают КПД ЭПРА. Под КПД светильника согласно ГОСТ 8045-82 понимают отношение светового потока, излучаемого в пределах угла излучения к световому потоку лампы. КПД ламповых светильников не превышает 75% для новых и уменьшается в процессе эксплуатации примерно на 5% в год из-за старения отражателя и колпака. Российские производители заявляют КПД их светильников «не хуже 72%» (1), с учётом старения, для расчётов, правильнее принимать КПД лампового светильника 70%. Для реализации проекта требовались светильники с МГЛ мощностью 45 – 315 ватт, для всех них заявлена световая отдача 116лм/ватт. Световую отдачу светильников определяют в специальных испытательных лабораториях, но зная световую отдачу источника света светильника и КПД его составляющих, можно примерно вычислить максимальное значение. Световая отдача МГЛ известных производителей (при условии их питания от ЭПРА) составляет: компании PHILIPS 100лм/Ватт (2), компания OSRAM «до 100 лм/Вт», компания BLV – 100 лм/Вт. Для вычисления максимальной световой отдачи светильника необходимо умножить световою отдачу источника света на КПД составляющих светильника – КПД ЭПРА 0.85 и КПД светильника 0,7. Перемножив данные, получаем значение в 59.5 лм/ватт, выше которой световой отдачи светильника быть не может. Еще раз хочу подчеркнуть, что световую отдачу светильников определяют в испытательных лабораториях, вычисленное значение 59.5 лм/ватт указывает лишь на максимально ожидаемую от светильника с МГЛ световую отдачу. Натриевые лампы (3) имеют эффективность до 160 лм/ватт и продолжительный срок в 25000 часов, светильник на таких лампах может иметь световую отдачу более 95 лм/ватт, но эти лампы имеют очень низкий индекс цветопередачи (Ra = 25 — 28) и низкую цветовую температуру (Тцв = 2000 — 2200 К), что делает их применение ограниченным. Натриевые лампы высокого давления с улучшенной цветопередачей (Ra = 50 — 70) имеют на 25% меньшую эффективность и в 2 раза меньший срок службы.

Полезный (экономический) срок службы МГЛ ламп, заявленный в упомянутом проекте, 18000-30000 часов. Для МГЛ указание срока службы без информации о количестве отказов является некорректным. Компания PHILIPS к примеру, информируя о сроке службы лампы «CDM-T Elite 150W/930 G12 1CT», уточняет, что за 9000 часов откажут 5% ламп, а за 12000 часов уже 50%. Таким образом, до срока в 18000-30000 часов «дотянут» менее 1% ламп. Стандартный срок службы ламп ведущих производителей составляет 10000 часов. Кроме того, компании – производители часто настаивают на обязательной замене ламп по окончанию срока службы во избежание их взрыва. Для всех МГЛ светильников проекта указан коэффициент использования светового потока 60 %. Под коэффициентом использования светового потока светильника принято понимать отношение светового потока, падающего на расчетную плоскость, к световому потоку светильника. Получение высокого коэффициента использования светового потока является первостепенной задачей, так как именно от него зависит выполнение основной задачи светильника – освещение объекта. Одинаковую освещённость объекта могут обеспечить светильники, мощность и световой поток которых отличаются в несколько раз. Для ламповых светильников, коэффициент использования светового потока редко превышает 30-40%, показатель в 60% возможен только для автострадных светильников при соблюдении отношения высоты подвеса к ширине автострады и правильном угле наклона консоли. Ламповые светильники имеют конструктивный предел, определяющий максимальный коэффициент использования светового потока для каждого светильника.

  

На рис. 1 показан ход лучей в ламповом светильнике, справа – освещаемый объект. Красные линии иллюстрируют световой поток в направлении освещаемого объекта, желтыми линиями – световой поток, не участвующий в освещении объекта. Коэффициентом использования светового потока для светильника, изображенного на рисунке 3 является отношение всего светового потока (красные и желтые линии) к световому потоку в сторону объекта (красные линии) и в данном случае его величина на превышает 60%. При уменьшении размеров объекта часть светового потока, обозначенного красными линиями, пройдёт мимо него, значение коэффициента использования светового потока снизится. Коэффициент использования светового потока зависит как от конструкции светильника, так и от места его применения и не может быть декларирован для целой группы светильников. ГОСТ 8045-82 определяет коэффициент использования светового потока для ламповых светильников, в зависимости от типов не менее 12-35%. Типичное распределение светового потока уличного лампового светильника показано на рис.2, слева. Очевидно, что если решается задача по освещению дороги (указана белой стрелкой), то коэффициент использования светового потока светильника менее 15% - основной световой поток бесполезно тратится на освещение газона. При более широкой дороге, коэффициент использования светового потока был бы выше. На рис.2 справа показано идеальное распределение света от светильника при коэффициенте использования светового потока 100% для той же задачи.

    

Ламповые светильники имеют конструктивные ограничения, не позволяющие существенно улучшать их параметры. Светодиодные светильники лишены недостатков ламповых. В светодиодных светильниках источником света служат светодиоды и светодиодные матрицы, с конструктивной точки зрения являющиеся более удобными и эффективными, чем лампы. Лампа излучает световой поток в полном телесном угле подобно изотропному излучателю и почти всегда применяется в комплекте с дополнительным отражателем, частично поглощающим световой поток, у светодиодного источника эти потери отсутствуют - его излучение изначально направлено менее чем в половину полного телесного угла и во многих случаях не требует дополнительной корректировки. Высокий нагрев лампы не позволяет расположить элементы оптической системы светильника вплотную к ней, поэтому отражатели в ламповых светильниках громоздкие, светодиодные источники света могут располагаться вплотную с оптическими элементами, линзы и отражатели (вторичная оптика) для светодиодных источников малогабаритные и недорогие. Следует упомянуть о существовании ламп с керамической горелкой со встроенным отражателем – (4). Эти лампы имеют направленный световой поток, но относительно низкую эффективность – менее 50 лм/ватт. Некоторые светодиоды, например SPHWHTL3D1A3S0H0G4 компании SAMSUNG, имеют первичную оптику, «сжимающую» световой поток до расходимости в 60 градусов, при эффективности 115 лм/ватт. Светильник на таких светодиодах с учётом КПД драйвера 85% и коэффициента пропускания защитного стекла 85-90% может иметь эффективность более 80 лм/ватт. Такой светильник мощностью в 40 ватт с высоты 6 метров осветит территорию в 38.5 кв метров (круг диаметром 7 метров) при средней освещённости в 83 люкс – чуть меньше освещённости в пасмурный день. Ни один из ламповых светильников на такое не способен. Заявления производителей о том, что светодиодный светильник в 50 ватт заменяет «любой 150 ваттный» часто верны, если конечно светодиодный светильник правильно спроектирован. Для светодиодных источников света производится огромное количество вторичной оптики, позволяющая менять параметры светильников на стадии производства. В настоящее время доступны светодиодные источники света с эффективностью 150 лм/ватт и более. Стоимость 1 люмена у этих источников света почти равна стоимости люмена у МГЛ. Например, матрица CXA3050 со световым потоком в 6265 люмен (допускает «разгон» до 7200 люмен) стоит 1030 рублей, что соответствует 16 копеек за люмен, МГЛ HCI-TS 70W/942 NDL мощностью 70 ватт и световым потоком 6700 люмен стоит 816 рублей – около 12 копеек за люмен. Примитивное сравнение стоимости 1 люмена для МГЛ и светодиодных источников верно лишь в первом приближении, так как типичный срок службы светодиодных источников составляет 50000 часов (до уровня светового потока в 80% от первоначального), а срок службы МГЛ лампы составляет 10000 часов, что повышает себестоимость 1 люмена для МГЛ. Не следует забывать, что часть светового потока от МГЛ обречена на потери в отражателе, что так же повышает себестоимость светового потока. Правильнее утверждать, что стоимость 1 люмена от современного светодиодного источника света меньше себестоимости 1 люмена от МГЛ.

Несмотря на перечисленные преимущества светодиодных источников света, для проектировщиков уличного освещения есть веские причины сделать выбор в сторону светильников с МГЛ и других ламповых светильников - традиционные светильники проработаны, имеют испытанную временем конструкцию, легко ремонтируются на месте установки - конструкция светильника рассчитана на лёгкую замену лампы и ЭПРА. Покупатель ламповых светильников, как правило, имеет опыт работы с ними и знает, что покупает. Светодиодные уличные светильники пока являются дорогой диковинкой, которая должна работать вечно, но неизвестно как себя поведёт на самом деле. В Сети часто появляются фотографии и видео уличных светодиодных светильников, наполовину наполненных дождевой водой, с «битыми» светодиодами, постоянно мигающих и просто неработающих. Нередки случаи, когда уличные светодиодные светильники часто ломаются - в одном из городов из 547 установленных в течении первого года вышло из строя 34. Неисправные уличные светодиодные светильники доставляют больше проблем, чем ламповые - их не отремонтируешь на месте установки. Иногда реальная освещённость светодиодными светильниками хуже, чем ламповыми. В городах установлено довольно много светодиодных светильников, почти все они великолепно освещают улицы, но бросаются в глаза и запоминаются больше те, которые мигают, выключаются, «синеют» и не горят. Как на любом рынке, на рынке уличного светодиодного освещения присутствует хороший и плохой товар. Высокая цена на светодиодные светильники привлекает определённую категорию производителей, не стремящуюся глубоко заниматься инженерными разработками, но готовую к получению прибыли. Обычно их инженерные изыскания ограничиваются приблизительным копированием имеющего успех чужого продукта с некоторым изменением внешнего вида, упрощением конструкции и её адаптацией под своё производство. Кроме того, высокая прибыль от продажи уличных светодиодных светильников часто способствует снижению их качества по мере нарастания производства - включатся психологические механизмы, описанные еще в 19 веке Томасом Джозефом Даннингом: "Обеспечьте капиталу 10% прибыли, и капитал согласен на всякое применение, при 20% он становится оживленным, при 50% положительно готов сломать себе голову, при 100% он попирает все человеческие законы, при 300% нет такого преступления, на которое он не рискнул бы пойти, хотя бы под страхом виселицы". Производители уличных светильников, не вкладывающие деньги в инженерно-технические разработки, находятся между 50 и 100 процентов прибыли, и судя по утверждению Даннинга, им приходится очень нелегко из-за тяги к ещё большему заработку за счёт «упрощения» чужой технологии. Например, вместо светодиодов известных компаний можно применить дешевый аналог, «почти такой и даже лучше», как утверждают их продавцы, можно хорошо сэкономить на драйвере, оптике, краске, сборке и т.д. и т.п., при этом производитель предъявляет сертификат и протокол из испытательной лаборатории, полученные на светильники задолго до «модернизаций». Судья таким производителям рынок, жаль только, что пока он их накажет, они навредят остальным членам сообщества производителей светодиодного освещения.   

По фотографиям неисправных уличных светильников легко вычислить производителя, поэтому не стоит их публиковать в этой статье. Не исключено, что брак – редкость для этой компании, поэтому в качестве примера привожу фотографию (рис. 3) подвесного потолка со светодиодными светильниками «Амстронг неизвестного производителя» в административном здании, которое ежедневно посещают сотни предпринимателей – как раз первоочередных потенциальных покупателей этого «товара».

  

Из 13-ти светильников на фотографии нормально работают только 5. Один светильник не горит, один мигает, остальные 6 слабо светятся сине-фиолетовым (к сожалению фотография не передаёт до конца разнообразие оттенков) с тёмными провалами битых светодиодов. Производитель явно сэкономил на светодиодах, хотя возможно ему продали подделку.

Недостатки в конструкциях уличных светодиодных светильников зачастую заложены ещё на стадии их проектирования, многие конструкции не содержат «запаса прочности», работают на пределе. Одной из ошибок, повторяемой многими производителями, является совмещение тепловых зон светодиодных источников света и драйвера. Рис. 4 иллюстрирует одну из распространённых неудачных конструкций уличных светодиодных светильников.


Корпус светильника представляет собой алюминиевый профиль, к которому крепятся платы со светодиодами, защищенные от атмосферных воздействий защитным стеклом. Внутри профиля расположен драйвер, торцы закрыты герметичными крышками. Основной ошибкой конструкции является объединение температурных зон светодиодов и драйвера высокой теплопроводностью алюминия. На испытаниях светильник подобной конструкции мощностью 80 ватт при температуре окружающей среды 25 градусов при отсутствии движения воздуха через 2 часа снизил потребляемую мощность до 38 ватт, при этом в отсеке с драйвером термопара показала температуру воздуха 74 градуса. Второй ошибкой конструктора (на мой взгляд) является исключение более 30% площади поверхности светильника из конвекционных процессов защитным стеклом. Подобный светильник при температуре свыше 10 градусов будут хорошо работать только в ветреную погоду, в штиль драйвер светильника будет постоянно перегрет, световой поток снижен. Интересно, что точно в таком профиле светильник другого производителя так не перегревается, но при одинаковой длине он имеет меньшую мощность. Можно предположить, что первоначальный замысел разработчика был «улучшен» инженерами другой компании «разгоном» светодиодов.

Основными компонентами драйвера, определяющим его срок службы при повышенной температуре почему-то считаются электролитические конденсаторы, на самом деле, с появлением высокотемпературных электролитических конденсаторов это уже давно не так. В любом драйвере есть собственные источники тепла, разогретые на 30—40 градусов выше окружающей среды и разогревающие расположенные рядом элементы - это обратноходовые трансформаторы, ключи, их контроллеры и др., при этом практически все элементы драйвера имеют предельные рабочие температуры в 70-150 градусов и ухудшают свои параметры задолго до их достижения. Работа драйвера при температурах выше 50 градусов резко уменьшает его наработку на отказ. Большинство производителей драйверов тестируют свою продукцию при температуре окружающей среды 25 градусов; считается, что повышение температуры окружающей среды на каждые 10 градусов сокращает срок службы драйвера вдвое. Лишь немногие известные компании, производящие драйверы, гарантируют их эксплуатацию при температуре окружающей среды до 70 градусов.

Другими, часто встречающимися недостатками светодиодных светильников являются:

- отсутствие оптики

- диафрагмирование первичного источника света

- отсутствие механизма угла наклона светильника

- большая масса

- наличие защитного стекла над светодиодами

- ненадёжное крепление

- высокая цена

Уличные светодиодные светильники без первичной и вторичной оптики с успехом применяются при освещении городских улиц, имеют круглосимметричную кривую силы света с максимумом излучения в центре. Коэффициент использования светового потока, при освещении ими широких улиц, составляет примерно 50-70%. Использование этих же светильников для освещения узких улиц и дорог 3-5 категории менее эффективно, так как большая часть светового потока расходуется на освещение второстепенных объектов, подобно рисунку 2 слева. Благодаря большому световому потоку, несмотря на низкий коэффициент его использования, такие светильники с задачей справляются, но применение оптики позволило бы получить в 2-3 большую освещённость в нужном месте или использовать в 2-3 раза меньше светильников. Отсутствие механизма регулировки угла наклона для консольных светодиодных светильников с узкой расходимостью светового потока в одной из плоскостей, например с боковой или осевой кривой силы света, может привести к отказу от их применения в проекте, так как основной световой поток может не попасть на освещаемый объект – его направление зависит от угла наклона консоли и высоты подвеса. Уличные светодиодные светильники без механизма регулировки угла наклона чаще всего не имеют оптики, а освещённость объекта достигается мощным световым потоком в 10000 лм и выше. Защитного стекло, часто применяемое в конструкциях уличных светодиодных светильников, имеет коэффициент пропускания 85-90% и сокращает световой поток светильника на 10-15%. У некоторых производителей встречаются консольные светодиодные светильники массой более 10 кг. Такие светильники городские службы отказываются применять возле трамвайных путей ввиду повышенной вибрации почвы.

В качестве примера хорошего светильника, пожалуй лучшего от российских производителей, хочется привести светильник ДКУ 15-110 от компании «Новый свет» – рис.5. Светильник имеет отличный дизайн, надежен, имеет высокую эффективность, надёжное крепление к консоли с механизмом регулировки угла наклона.

 

Благодаря внешнему виду и продуманности конструкции, этот светильник впишется в любой, даже самый дорогой проект. Такой светильник не установишь для освещения складской территории, запылённого цеха, он слишком хорош для этого.

Очень часто стоимость светильника определяет его внешний вид, надёжность светильника определяет его конструкция. Рынок нуждается в недорогом продукте хорошего качества, пусть простого по дизайну, но универсального по применению.

Несмотря на разнообразие светодиодных светильников, лишь некоторые из них применимы для освещения складских территорий, улиц маленьких городов, заводских цехов. Освещение заводских цехов и складских территорий часто непростая задача – светильники могут размещаться под потолком, где летом горячий воздух, поэтому они должны быть рассчитаны на работу при температуре окружающей среды 40-50 градусов. Кроме того, при высоте потолков в цехах 10-20 метров применение светильников без оптики неэффективно, так как существенная часть светового потока попадает на запылённые стены и теряется, так как они почти не отражают. Для цехового светильника необходима оптика, направляющая свет от светодиодного источника в нужном направлении. Светильник для заводских цехов должен быть герметичным для возможности сбивания с него пыли струёй воды. Кроме того, для цехового светильника желательно универсальное крепление для любых поверхностей или на трос. Для улиц маленьких городов и деревень нужны высокоэффективные бюджетные светильники, потребляющие минимум электроэнергии.

Светильники, работающие в трудных условиях, предназначенные для промышленного и городского освещения, производит компания СЕТИЛЮМЕН - на рис. 6 фотография светильника ДБУ-01-1-40-3-01 и ДКУ-01-1-50-1-01.

Светильники имеют эффективное охлаждение светодиодного источника за счёт эквивалентной площади радиатора более 30 квадратных сантиметров на 1 ватт мощности, при температуре окружающей среды 25 градусов температура радиатора составляет 45-50 градусов. Конструкция радиатора обеспечивает эффективный отвод тепла от светодиодного источника, при температуре окружающей среды 25 градусов температура в контрольной точке светодиодного источника не превышает 65 градусов. В качестве источника света в светильниках применяются светодиодные матрицы типа CXA2540, CXA3570 или светодиоды XM-L2 от компании CREE, имеющие эффективность до 150 лм/ватт при температуре 85 градусов и способные работать до 150 градусов. Средняя эффективность светильников составляет 105 лм/ватт, что обеспечивается использование источников света на оптимальном токе (без разгона), применением высокоэффективной оптики, захватывающей весь световой поток без диафрагмирования и отсутствием защитного стекла с его потерями. Температурные зоны источника света и драйвера раздельные. Эффективному охлаждению драйвера способствует отвод тепла с его корпуса на элементы крепления светильника, что увеличивает эффективную площадь конвекционного рассеяния тепла. Светильники выпускаются с разнообразной оптикой для получения необходимых кривых силы света. Крепление светильников универсальное, консольное или на поверхность и трос, оба крепления имеют регулировку угла наклона светильника в пределах 90 градусов. Масса светильников менее 2.5 кг. Степень защиты оболочки светильника IP66, климатическое исполнение УХЛ, категория 1. Конструкторы отказались от применения алюминиевого профиля и литого корпуса, что снизило стоимость светильника и сделало его доступным для малобюджетных проектов.

  


 

 

 



                          

        Рубрику «Изобретения в светотехнике» в журнале «Современная Светотехника» ведём с 2015 года. Обязательный ежемесячный анализ новых изобретений позволяет быть в курсе всего нового.