X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня нельзя представить современный город в ночные часы и тем более интерьер помещений без использования множества разнообразных осветительных приборов. Поэтому вопросы энергоэффективности архитектуры и ее составной части – энергосбережения – в искусственном освещении зданий и городской среды выходят на первый план. Они могут успешно решаться лишь комплексом архитектурно-строительных, электротехнических и технологических мероприятий, что приведет и к новым образным решениям в архитектуре и светодизайне.

Можно утверждать, что именно свет делает архитектуру образным искусством, если объемно-пространственная форма отвечает требованиям гармонии при этом свете. Создаваемые естественным светом зрительные образы архитектуры не требуют затрат. Искусственный свет, масштабы потребления которого растут во времени и пространстве, стоит денег. Однако нередко расходы на освещение считаются обособленно, например, без учета взаимосвязи и возможностей совместного использования природного и электрического света в дневное время.

К этому надо добавить экономически не менее важный и тесно связанный с первым вопрос теплоустойчивости зданий: чем шире корпус здания, тем он устойчивее к климатическим воздействиям. Однако помещения внутри такого здания требуют искусственного освещения в дневное время, что совсем не рационально; чем больше площадь остекления в ограждающих поверхностях с целью обеспечить помещения дневным светом, тем больше хлопот и расходов на отопление и кондиционирование («стекломания» до сих пор в моде [14, 15]) и т. д.

Современные технологии архитектуры умного дома ориентируются главным образом на дорогостоящее техническое «нашпиговывание» его объема управляемыми инженерными системами и эффективными тепло- и шумозащитными материалами в ограждающих конструкциях, а также автономными системами альтернативно-экологичного энергоснабжения. При этом нередко отходят на второй план задачи выбора собственно энергосберегающей архитектурной формы:

с необходимым минимумом остекления на фасадах и кровле;

с учетом ориентации по сторонам горизонта и розе ветров;

с минимумом угловых изломов фасадных поверхностей;

с рациональным соотношением площади наружных ограждений и заключаемого в них отапливаемого объема и т. п.

Это и есть сущностный «хлеб» профессии. Забывается исторический опыт предков: строить компактные и далеко не безобразные здания в условиях непростого климата, не особенно увлекаясь композиционными поисками модной, экстравагантной формы [13].

СОВРЕМЕННЫЕ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Рынок предлагает широкий выбор разнообразных осветительных приборов, предназначенных для освещения помещений и территорий. Точечные светильники по мнению экспертов, не только современны, но и выгодны, если в них вкручивать энергосберегающие лампочки. Встроенные светильники равномерно освещают комнату, если их располагают на одинаковом расстоянии друг от друга. Таким образом, несмотря на экономное потребление энергии, эффективность точечных светильников может быть большей, чем у люстры, расположенной в центре комнаты.

Впрочем, центральное освещение комнаты крупным светильником или люстрой отлично гармонирует со «звездным небом» встроенных ламп. Нередко точечные светильники встраивают по периметру потолка, тогда как посередине располагают люстру. Хорошо сочетаются точечные светильники и с боковым освещением, но при этом все осветительные приборы должны гармонировать друг с другом.

Рис. 1. Встроенные светильники

Встроенные светильники бывают круглыми и квадратными. По мнению экспертов, в последнее время появляется все больше декоративных встроенных светильников. Дизайнеры отдают предпочтение светильникам с оригинальным внешним обрамлением. Обычно миниатюрные осветительные приборы подбирают таким образом, чтобы их декор гармонировал с потолочной отделкой или карнизами.

Трек-системами называют серию лампочек, подвешенных на одной или нескольких направляющих. Трек служит не только подвесным устройством в виде жесткой направляющей или натяжного «каната», но также содержит «в теле» электропроводку. В частности, треки используют для освещения больших помещений с высокими потолками, на которых нецелесообразно монтировать осветительную систему – светильники будут слишком сильно удалены от людей, находящихся в помещении. Чтобы свет от лампочек был более эффективным, его нужно приблизить. Конечно, светильники можно подвешивать на длинных шнурах, штангах или цепях, но всему есть предел. Добиться оптимального приближения осветительных приборов можно, например, с помощью треков, которые закрепляют на противоположных стенах. Нередко в подобных трек-системах светильники закреплены с возможностью передвижения вдоль трека. Маневренность ламп позволяет добиться наиболее эффективного освещения заданного участка. Длина треков может быть более 10 метров, что позволяет растягивать трек от стены до стены в очень просторных помещениях.

Рис. 2. Трек-системы

Есть и другие типы трек-систем, когда треки крепят только на потолке или на стене. В частности, для закрепления серии лампочек используют жесткое основание, в котором проложены провода. Такие треки значительно короче длинных гибких трек-систем, однако из каждого элемента «жесткого» трека можно создать систему любой конфигурации, в том числе, очень длинную. Важное свойство трек-системы состоит в том, что лампочки, закрепленные на одном треке, можно поворачивать в разные стороны, регулируя, в зависимости от потребности, направление света. «Сборные» трек-системы удобны тем, что каждый элемент можно устанавливать под любым углом к полу, выбирая, таким образом, наиболее выгодный ракурс для подсветки картин или скульптур. Маневренная подсветка удобна для выставочных залов и картинных галерей. Да и в квартирах, наплоенных предметами искусства, или иными элементами декора, которые есть смысл рассматривать, также целесообразно повесить трек-систему, которая будет прицельно освещать сразу несколько объектов. По мнению экспертов, трек-системы хороши не только для прицельного освещения, но и для оформления интерьеров в стиле хай-тек или модерн. Особенно оригинально смотрится использование гибких треков, когда один конец закрепляют к полу, а другой к потолку. По вертикальной направляющей развешивают светильники, выдержанные в определенном стиле.

МОДЕЛИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Светотехнические устройства являются важным элементом большого числа технических систем, включающих дорожное, жилое, промышленное освещение, светотехнические системы транспортных средств и т.д. [11]. Светодиодная промышленность во всем мире стала в последние годы одним из самых быстро развивающихся секторов экономики. В настоящее время светодиоды, используемые для освещения, занимают наряду с другими источниками уверенную позицию на рынке осветительных систем [3]. Светодиодные светильники, прожекторы и другая осветительная техника, получившие широкое распространение, активно применяются для создания искусственного освещения, декоративной подсветки, для ландшафтного и архитектурного освещения, при оформлении рекламных объектов.

Основные свойства светодиодов (СД), которые в ближайшем будущем сделают их самыми экономичными по сравнению с другими источниками света: высокая световая отдача; малые энергопотребление и габариты; высокая долговечность; отсутствие пульсации светового потока; возможность получения излучения различного спектрального состава; высокая устойчивость к внешним воздействиям (температуре, вибрации, ударам, влажности); электробезопасность и взрывобезопасность; высокая степень управляемости (возможность построения систем многоуровневого управления освещением) и пр. [2, 4, 7] Каждые полгода параметры светодиодов и светотехнических устройств на их основе становятся на новый количественный уровень по световой отдаче, мощности излучения и световому потоку, цветовым характеристикам.

По оценке компании Philips [10] ожидается снижение себестоимости СД и прогнозируется, что к 2020 г. светодиодные источники света и световые приборы на их основе займут 75 % светотехнического рынка. Светодиоды как источники света начали применяться в 60­х годах ХХ века.

Принцип действия светодиодов как полупроводниковых приборов основан на преобразовании электрической энергии непосредственно в световое излучение. Механическая конструкция светодиода определяет распределение света в пространстве. Для обычного освещения интерес представляют только светодиоды с током питания более 100 мА, световой поток которых составляет более 10 лм, которые излучают белый свет.

Широкое применение светодиодов в системах подсветки, освещения и индикации делает актуальным расчет и проектирование светодиодных оптических систем, обладающих высокой световой эффектностью и широкими возможностями контроля энергетических характеристик излучения [6, 8, 9]. Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики, назначение которой – направлять излучённый светодиодом световой поток в заданную область пространства и обеспечивать формирование в этой области требуемого распределения освещённости [5].

До последнего времени одними из самых востребованных в быту, на производстве, в офисах и учебных заведениях, были традиционные квадратные и прямоугольные светильники с несколькими люминесцентными лампами. Пришедшие им на смену современные потолочные приборы - светодиодные панели в несколько раз экономичнее, имеют длительный срок службы, а также, что очень важно, безвредны для экологии.

Благодаря тому, что светодиодные сборки имеют малую толщину, изготовленные из них потолочные и настенные светильники насколько тонки, что не нуждаются в специальных встраиваемых коробах, легко монтируются и подключаются. В отличие от люминесцентных ламп, в конструкции светодиодных панелейотсутствуют дроссели, что делает их работу абсолютно беззвучной. Их световой поток отличается равномерностью, и очень близок по характеристикам к естественному дневному освещению.

В последнее время стремительно нарастает заинтересованность ведущих мировых производителей источников света и потребителей в замене традиционных ламп накаливания, а также люминесцентных ламп дневного света на светодиодные световые приборы, основу которых составляют полупроводниковые светодиоды, объединенные в светодиодные модули (СДМ) (рис. 3).

Рис. 3. Светодиодные модули

Используя совершенные физические свойства современных светодиодов, была разработана новая группа приборов для внутреннего, наружного и специального освещения – компактные светодиодные прожекторы. Изготовленные на основе светодиодной матрицы эти устройства стали намного экономичнее и мощнее. Светодиодные прожекторы с успехом применяются для освещения спортивных и концертных залов, входят в состав системы освещения цехов промышленных предприятий, торговых комплексов, автостоянок и парковых зон.

Прожекторы, в которые источником света являются многоцветные светодиоды RGB, способны излучать мощный световой поток в широкой цветовой гамме. В колбе каждого светодиода RGB находятся светящиеся кристаллы трех цветов – красный, синий и зеленый. При подаче на управляющие электроды этих полупроводниковых приборов различных напряжений, можно получать множество оттенков и эффектов перехода одного цвета в другой. Такое богатство красок позволяет использовать светодиодные прожектора RGB для архитектурной подсветки зданий, исторических мест и других объектов.

Развитие в данном направлении затруднено в связи с отсутствием методов расчета светотехнических характеристик СДМ и систематизированной информации по световой эффективности СД, что также вызвано недостаточным прогрессом в международной стандартизации и наличием дефицита в специальном измерительном оборудовании. Поэтому актуальной является задача моделирования светотехнических характеристик СД и СДМ именно на стадии проектирования осветительных приборов (ОП).

Светодиод обладает косинусным светораспределением, но для освещения помещений с высокими пролетами или улиц такое светораспределение не подходит. Для создания энергоэффективного освещения требуется специализированная оптика. Вторичная оптика – линза или зеркальный отражатель из пластика, монтирующийся на один или группу светодиодов, представляет отдельный компонент, не являющийся частью светодиода. Использование вторичной оптики позволяет решить задачи: позволяет изменить светораспределение СД, например, сосредоточить излучение в нужном угле или сделать его несимметричным; перенаправляет весь световой поток от светодиода в освещаемую область, повышая эффективность светотехнического устройства и понижая его стоимость; позволяет сформировать требуемое распределение освещенности, соответствующее всем стандартам освещения. Правильно подобранная оптика позволяет существенно увеличить плотность светового потока диода и более точно приспособить его работу для решаемой технической задачи. Популярность линз объясняется большим удобством и относительной простотой формирования требуемого светового пучка, т. к. управление излучением осуществляется тремя плоскостями: двумя преломляющими поверхностями на входе и выходе излучения и одной отражающей поверхностью линзы.

ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Многие производители, говоря о достоинствах светодиодных светильников, умалчивают о существенных недостатках и считают основной причиной, препятствующей массовому внедрению, лишь высокую стоимость. Одним из существенных недостатков является излишнее выделение тепла, которое необходимо отводить. При увеличении температуры p-n перехода возникает смещение рабочей длины волны и снижение яркости. А увеличение температуры на поверхности кристалла приводит к сокращению срока службы светодиода. Процесс отвода тепла является достаточно сложным и включает в свою структуру отвод тепла между p-n переходом и корпусом, между корпусом и печатной платой, затем между печатной платой и радиатором, и наконец, между радиатором и окружающей средой [16].

Проблема эффективного отведения тепла решается несколькими способами. Выбор материала светодиода с низким тепловым сопротивлением. Также в конструкцию диода включают специальный теплоотвод, который снижает тепловое сопротивление. Для отведения тепла используют специальные печатные платы и радиаторы различных конструкций. Для мощных светодиодов требующих рассеивания большого количества тепла, охлаждающие конструкции представляют собой достаточно громоздкую систему. Эти системы не достаточно компактны и создают неудобства в эксплуатации. Отказ от работы из-за перегрева носит постепенный характер и выражается в уменьшении яркости излучения.

Наибольшее распространение получили следующие технические решения, применяющиеся для отвода излишнего количества тепла от светодиодов. Печатные платы, обладающие хорошей теплопроводностью, в которых за слоем диэлектрика расположен слой алюминия либо меди, выполняющий функцию радиатора. Для увеличения лучистого и конвекционного обмена между перегревающимся элементом и окружающей средой устанавливают радиаторы. Это эффективные и относительно недорогие способы теплоотвода.

Эффективность теплоотвода напрямую связана с эффективностью передачи тепла в месте соприкосновения двух поверхностей. Поверхность источника тепла, так же как и поверхность теплоприемника имеют неровности. И при контакте поверхностей возникают микрополости, которые заполнены воздухом. Коэффициент теплопроводности воздуха имеет крайне малое значение и значительно усложняет теплопередачу. Для того чтобы увеличить теплопередачу используют материал с большим коэффициентом теплопроводности, который заполняет микрополости. Выбор материала зависит от рассеиваемой мощности и конструктивных особенностей светодиодного источника света. В качестве теплопроводящего материала обычно используют теплопроводящие пасты, клеи, силиконовые компаунды.

Использование активного корректора коэффициента мощности, является достаточно эффективным решением этой проблемы. Активный корректор отслеживает входное напряжение и при помощи активных ключей совершает внутрисхемные коммутации с целью поддержания пропорциональности входного тока и напряжения. При пропорциональности входного тока и напряжения можно добиться низкого уровня пульсации постоянного выходного напряжения. Реализация такого корректора может быть основана на базе импульсного пре образователя с введением соответствующих обратных связей.

На сегодняшний день ведущими производителями интегральных микросхем активных корректоров коэффициента мощности являются: Texas Instruments, STMicroelectronics, International Rectifier, ON Semiconductor [12]. Активный корректор коэффициента мощности, выполненный на базе указанных выше интегральных схем, включаются между выпрямителем и импульсным преобразователем. В таком случае корректор коэффициента мощности будет играть роль буферного каскада, снижающего взаимное влияние питающей сети и импульсного источника питания [1]. Такое усовершенствование сетевого преобразователя чрезмерно увеличивает стоимость светодиодного источника света.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Энергосберегающие системы освещения, которые сегодня повсеместно внедряются в нашу жизнь, заставляют разработчиков такого оборудования искать новые технологии. К преимуществам светодиодного освещения относятся: высокая энергоэффективность; экологичность; большой ресурс работы; огромный потенциал технологии. Сегодня очень актуальным остается вопрос наружного светодиодного освещения. Такое освещение имеет ряд преимуществ: потребитель может экономить электроэнергию; не нужно часто менять лампы накаливания, что дополнительно снижает расходы на их эксплуатацию и обслуживание; все энергосберегающие приборы света, которые используются сегодня, имеют намного меньший срок службы, они очень уязвимы к ударам и вибрациям и плохо переносят частое включение.

Ещё одним большим преимуществом светодиодных светильников считается то, что они безопасны. Освещение квартиры с помощью светодиодов, (в частности светодиодное освещение потолка) сегодня получает всё большее распространение благодаря значительной экономии, из-за длительного срока службы светодиодов. Такое светодиодное освещение нашло своё применение в светотехнике, для создания освещения в современных дизайнерских проектах (освещение различных офисных строений, домов, коттеджей, бассейнов, и многого другого).

Таким образом, использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики – линзовой и отражательной, которая позволяет изменить светораспределение светодиода, повышает эффективность светотехнического устройства в целом, формирует требуемое распределение освещенности. Актуальной является задача расчета и моделирования светотехнических характеристик светодиодов и светодиодных модулей на стадии проектирования ОП. С этой целью предложен специализированный программный комплекс, который позволяет значительно облегчить процесс проектирования оптических светодиодных систем и повысить их качество [5].

Большой интерес представляет идея использования в сетевых преобразователях специализированных интегральных схем с встроенным корректором коэффициента мощности. Такие схемы ориентированы на использование в дайверах светодиодных источниках света низкой и средней мощности. Представителем такой схемы является NCL30xxx от компании ON Semiconductor [12]. Несомненно, применение светодиодной продукции является приоритетным. Все достоинства этих светильников перекрывают их недостатки. Проводимые исследования позволяют улучшить энергетические и экологические показатели светодиодной продукции и окончательно вытеснить с рынка люминесцентные светильники и лампы накаливания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ГОСТ Р 51317.3.2–2006. «Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым то- ком не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний». – М.: Стандартинформ, 2007. – 28 с

Айзенберг Ю. Б. Формирование светотехнического рынка России для повышения эффективности освещения // Светотехника. – 2009. – №6. – С. 11­14.

Айзенберг Ю.Б. Задача стимулирования производства и применения энергоэффективных светотехнических изделий // Светотехника. – 2009. –№2. – С. 23­25.

Айзенберг Ю.Б. Современные проблемы энергоэффективного осве­щения // Энергосбережение. – 2009. – №1. – С. 42­47.

Байнев В.В. Модели оптических систем осветительных приборов // ИТпортал. 2016. № 4 (12). С. 7.

Байнева И.И., Байнев В.В. Аспекты разработки энергоэффективных светотехнических изделий для решения задач повышения энергосбережения // Вестник Мордовского университета. – 2014. – № 1­2. – С. 76­80.

Байнева И.И., Байнев В.В. От ламп накаливания к энергоэкономич­ным источникам света: аспекты перехода // Фотоника. – 2011. Т.30. – № 6. – С.30­33.

Байнева И.И., Байнев В.В. Продукция светотехнической промышленности России: проблемы энергосбережения и энергоэффективности // Научные исследования и разработки. Экономика фирмы. – 2014. – № 2 (7). – С.4­7.

Байнева И.И., Байнев В.В. Энергоэффективные источники света и световые приборы для решения задач повышения энергосбережения // Справочник. Инженерный журнал с приложением. – 2014. – № 9 (206). – С. 62­64

Боровков С. А. Опыт Philips Lighting в применении светодиодов для освещения объектов различного назначения // Светотехника. – 2011. – № 3. – С.18­22.

Бугров В. Е., Ковш А. Р., Одноблюдов М. А. Освещение светодиодами в России и мировые тенденции рынка светодиодов // Светотехника. – 2010. – №4. – С. 42­46.

Марущенко С. Г. Влияние вторичного источника питания светодиодного осветительного прибора на сеть // Современные наукоемкие технологии . 2013. №9. С.103-107

Тюрин М.Ю., Рябикова Л.А. Современные тенденции в светодизайне // В сборнике: Наука ЮУрГУ Материалы 67-й научной конференции. 2015. С. 120-124.

Харкнесс Е., Мехта М. Регулирование солнечной радиации в зданиях. М. : Стройиздат, 1984.

Хоболенский Н. В. Архитектура и солнце. М. : Стройиздат, 1988.

Шепелев А.О., Киселев Б.Ю., Лысенко В.С., Бубенчиков А.А. Пути решения проблемы применения светодиодных источников света // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 5-3 (47). С. 211-213.

Код для цитирования: Скопировать