A LED-ek alkalmazásának problémái - kihívások

Az előadások a következő témára: "A LED-ek alkalmazásának problémái - kihívások"— Előadás másolata:

1 A LED-ek alkalmazásának problémái - kihívások
Moderátor: Nagy János MEE VTT elnöke 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 Egyetem Percept Kft.

2 Mit akarnak a vevőink? Bemenni a szobába, fényt kapcsolni, és gyorsan elfelejteni, hogy egyáltalán lámpatestek is vannak körülöttük!!

3 Ha van, azt észre sem vesszük, Ha nincs, akkor nagyon hiányzik.
Ehhez a világítási környezetnek olyannak kell lennie,mint az igazságnak: Ha van, azt észre sem vesszük, Ha nincs, akkor nagyon hiányzik.

4 ZEB: zero energy building ZEH: zero energy home
ZEO: zero energy outdoor?? 2025-re tervezik a zero épület és zero otthon technológia megvalósítását

5 A felhasznált energiából világításra fordítanak
Világítás és az egész: A felhasznált energiából világításra fordítanak 25% részt a közületi szektorban, 12% részt a lakossági szektorban

6 2025-re a világításra fordított energia megfelezése !!
CÉL: 2025-re a világításra fordított energia megfelezése !!

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

8 LED fényforrás+meghajtó Cél 2027-re:
LED-modul: LED fényforrás+meghajtó Cél 2027-re: LED modul fényhasznosítás: 200lm/W !!!

9 LED-ek kiválasztásának szempontjai a gyártók szemszögéből
ELMON

10 Szilícium lapka gyártás előtt
ELMON

11 Szilícium lapka - LED-ekkel
ELMON

12 Élettartam ELMON

13 Válogatás fényhasznosítás szerint
ELMON

14 Válogatás színhőmérséklet szerint
ELMON

15 Válogatás színhőmérséklet szerint
ELMON

16 Válogatás színhőmérséklet szerint
ELMON

17 Összehasonlító diagram CRI/LED
ELMON

18 A LED világítás Alacsony CRI/RA(70/75) Magas CRI/RA(93)
ELMON

19 Ra [<=100%] T [K] η* [lm/W]

20 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()

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

22 Többszörös árnyék – diszkomfort hatás:
Sok kis fényforrás „ = ” sok „víztiszta burájú” izzó

23 LED-es lámpatestek elhelyezése:
A nagy fényáram kis felületen történő kisugárzásának és a lámpatest fényeloszlásának együtteseként kialakuló fényviszonyok is kellemes látáskomfortot kell, hogy eredményezzenek.

24 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.

25 „Fény” mennyisége: Megvilágítás: E [lx] 
1.) csak fényforrás vagy 2.) tápegységgel együtt vizsgálva

26 Süllyesztett lámpatestek – beépítési gondolatok:
esetleges hőpárna kialakulása – túlmelegedés lehetősége  kihatás az élettartamra

27 LÁMPATEST FELÉPÍTÉS LED optika Tápegység

28 HŐLEADÁS 1 LED optika Tápegység

29 HŐLEADÁS 2 LED egység Táp

30

31 A világítási berendezés eredő fényhasznosítása:
LED-ek fényárama x optika hatásfoka LED-ek teljesítménye +tápegység vesztesége

32

33 Nagynyomású nátriumlámpa

34 LED

35 Na LED

36 95 lm/W 65 lm/W 25 W LED +4 W táp 110 lm/W 2750 lm 29 W 36 W FSD
+9 W előtét 81 lm/W 2900 lm 45 W 65 lm/W 16 W

37 96 lm/W 92 lm/W 80 W LED +12 W táp 110 lm/W 8 800 lm 92 W 100 W Na
+16 W előtét 107 lm/W lm 116 W 92 lm/W 24 W

38 Mit jelent 1 W megtakarítás? 170 Ft megtakarítás évente W-onként
Energia díj+Rendszerhasználati díjak+Adók 170 Ft megtakarítás évente W-onként Megtakarított W-ok x 12 (év) x 170 Ft Pl: 20 W esetén Ft

39 ? Csere ? Csere költségek Megtakarítás Lámpatest ára Munkadíj
1 lámpatest: Ft 10 lámpatest: Ft 100 lámpatest: Ft Lámpatest ára Tartószerkezetek ára – azonos magasság, rögzíthetőség? Lámpakar – a régi felhasználható? ? Munkadíj

40 Új közvilágítási hálózat Üzemeltetési költségek
Beruházási költségek Megtakarítás 1 lámpatest: Ft 10 lámpatest: Ft 100 lámpatest: Ft Lámpatestek ára Tartószerkezetek ára – jobb fényeloszlás kevesebb oszlop? Lámpakarok ára Munkadíj Üzemeltetési költségek ?

41 Új közvilágítási hálózat Hagyományos fényforrással
Beruházás LED-es lámpák Lámpatestek Tartószerkezet Lámpakarok Munkadíj

42 Hagyományos fényforrással
Üzemeltetési feladatok Karbantartási feladatok Hagyományos fényforrással LED Szüks. Gyak. Fényforrás csere Működtető elektronikus egységek cseréje Bura tisztítás Tartószerkezet karbantartása igen 3x nem Előfor-dulhat 1x igen 3x 1x 2x igen 3x igen 3x igen azonos igen azonos

43 Üzemeltetési költségek mérlege Üzemeltető vállalja a kockázatot
Hagyományos fényforrással LED ? >= Üzemeltető vállalja a kockázatot

44 Összefoglalás Új közvilágítási hálózat létesítése esetén már lehet gazdaságosabb a LED-es világítótest alkalmazása. Kisebb beépített teljesítmény = kevesebb energiafogyasztás = alacsonyabb költségek

45 Csak akkor, ha az eszközök emelkedő minőségi szintjéhez drasztikus árcsökkenés párosul!!

46

47

48

49

50

51 A LED világítás jövője Becslések három—öt évre előre Bevezető:
A LED világítás jövője Becslések három—öt évre előre Bevezető: Általános megjegyzések a változásokról. 1.,Korlátlan növekedés -> exponenciális görbe Példa : robbanás

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

53 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.

54 Nézzük a bizonyításokat!
Az első állítás szinte magától értetődő

55 A második állítás bizonyításához már több megfontolás kell.
Transzformátor méretezés Klumen előállítása különböző hatásfokú LEDdel.

56 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.

57 A folyamat minden részéhez professzionális teljesítmény szükséges.
Csak így hozható létre megfelelő eredmény .

58 Megoldandó feladat van tömegével:

59 Az ehhez szükséges mérnöki feladatok, kihívások LED források •Elektromos tulajdonságok •Hőmérsékleti tulajdonságok •Optikai tulajdonságok •LED öregedés

60 Elektronikai fejlesztés •Tápegységek •Optikai és termikus visszacsatolás •Hálózati viselkedés

61 •Optikai tervezés •Fényerősségeloszlás •Színkeverés •Aktinikus sugárzás •Diffrakciós és holografikus elemek

62 Hőkontroll •LED hőmérséklet függései •Hűtőborda anyagok és szerkezetek •A hőtovábbítás anyagai •Heat pipes •Peltier hűtők

63 •Fotometria •Megfelelő minősítő protokolok •Abszolút fotometria

64 Színtan •Színstabilitás •Színvisszaadás •Spektrális eloszlás •LED színesség (chromaticity)

65 Az CIE által ajánlott mezopos fotometria alkalmazása
az MSZ EN szabvány szerinti ME útosztályok esetén 65

66 A mezopos fotometria határai

67 Útvilágítás vizuális feladatai
Akadály felismerés Jelenlét észlelése „Van ott valami?” Észlelési idő „Mennyi idő múlva reagálok?” Felismerés „Mi is ez?” (Orientáció Arcfelismerés Biztonságérzet) 67

68 Világosság érzet , kontraszt és az útvilágítási feladat összefüggése
Útvilágítás vizuális feladata Világosság érzet Mezopos fénysűrűség kontraszt Akadály felismerés Tárgy észlelése   Észlelési idő Felismerés  (fotopos!) 68

69 Csapok és pálcikák eloszlása a retinán
Csap csúcs Csap csúcs Pálcika csúcs Pálcikák Csapok 69

70 Fotopos, szkotopos és mezopos fotometria
Fotopos fénysűrűség: Szkotopos fénysűrűség: Mezopos fénysűrűség: 70

71 CIE 191:2010 MES2 mezopos fotometriai modell
M (m) normalizáló konstans, m =1, ha Lmes > 5,0 cd/m2 m =0, ha Lmes < 0,005 cd/m2 Az iterációt m0 =0,5-ről indítjuk Vmes m függése: 71

72 Mezopos fénysűrűség változása a fotopos fénysűrűségekhez képest a MES2 modell alapján ( CIE 191)
Fotopos fénysűrűség cd·m-2-ben Photopic 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% -4% -3% n. ny. Na 0,65 -31% -20% -8% -1% 0,85 -12% 1,05 4% 3% 2% 1% 1,25 18% 13% 8% 5% Fémhalogén, meleg 1,45 32% 22% 15% 9% 7% 1,65 45% 21% 10% 1,85 57% 40% 27% 17% 6% LED, hideg 2,05 69% 49% 16% 11% 2,25 80% 38% 24% 19% 12% 2,45 91% 65% 43% 28% 14% Fémhalogén, hideg 2,65 101% 73% 31% 72

73 Mezopos fénysűrűség változása a fotopos fénysűrűségekhez viszonyítva a MES2 modell alapján (Saját számítás) 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% (LmB-Lp)/Lp ("B" LED-del, semleges fehér) 51% 36% 24% 12% 10% 8% (LmC-Lp)/Lp ("C" LED-del, hideg fehér) 59% 42% 28% 18% 14% 73

74 Mezopos fénysűrűség változása a fotopos fénysűrűségekhez viszonyítva a MES2 modell alapján (Saját számítás) 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 LpA ("A" LED fotopos fénysűrűsége, ha a Na lámpával azonos látási teljesítmény nyújt mezopos adaptációt mellett), cd/m2 0,018 0,070 0,24 0,42 0,65 0,89 1,37 1,87 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 1,86 74

75 Összefoglalás 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

76 Moderátor: Nagy János MEE VTT elnöke
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 Egyetem Percept Kft.

77 Köszönjük figyelmüket!