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.

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

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.

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

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

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

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

LED fényforrás+meghajtó Cél 2027-re: 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

Ra [<=100%] T [K] η* [lm/W]

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]  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 optika Tápegység

HŐLEADÁS 2 LED egység Táp

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

Nagynyomású nátriumlámpa

LED

Na LED

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

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 10 700 lm 116 W 92 lm/W 24 W

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 41.000 Ft

? Csere ? Csere költségek Megtakarítás Lámpatest ára Munkadíj 1 lámpatest: 41.000 Ft 10 lámpatest: 410.000 Ft 100 lámpatest: 4.100.000 Ft Lámpatest ára Tartószerkezetek ára – azonos magasság, rögzíthetőség? Lámpakar – a régi felhasználható? ? Munkadíj

Új közvilágítási hálózat Üzemeltetési költségek Beruházási költségek Megtakarítás 1 lámpatest: 41.000 Ft 10 lámpatest: 410.000 Ft 100 lámpatest: 4.100.000 Ft Lámpatestek ára Tartószerkezetek ára – jobb fényeloszlás kevesebb oszlop? Lámpakarok ára Munkadíj Üzemeltetési költségek ?

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

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

Üzemeltetési költségek mérlege Üzemeltető vállalja a kockázatot 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!!

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

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

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.

Nézzük a bizonyításokat! Az első állítás szinte magától értetődő

A második állítás bizonyításához már több megfontolás kell. 1. Transzformátor méretezés 2. 10 Klumen előállítása különböző hatásfokú LEDdel.

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)

Az CIE által ajánlott mezopos fotometria alkalmazása az MSZ EN 13201 szabvány szerinti ME útosztályok esetén 65

A mezopos fotometria határai

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Köszönjük figyelmüket!