Lampy uliczne ze źródłami światła LED

10 czerwca 2012

Diody LED

Diody LED (ang. Light Emitting Diodes) są półprzewodnikowymi źródłami światła wykorzystującymi zjawisko elektroluminescencji zaobserwowane po raz pierwszy w 1907 roku. Pierwsze egzemplarze diod wyprodukowane zostały dopiero jednak w końcach lat sześćdziesiątych XX wieku. Dioda LED emituje promieniowanie (fotony) w kierunku przewodzenia, tzn. od warstwy typu „p” do warstwy typu „n”. Diody zasilane są ze źródła prądu, przy czym dla diod małej mocy wartość prądu zasilania jest rzędu 30 ÷ 100 mA (diody mocy 50 ÷ 100 mW), natomiast dla diod tzw. dużej mocy (1 ÷ 5 W) typowe wartości prądu to 0,35 A do 1,0 A. Diody zasilane są napięciem stałym o wartości zaledwie kilku woltów. Wartość napięcia zasilającego jest zależna od energii emitowanych fotonów, im jest ona większa tym wymagane jest większe napięcie.

Stosowane są różne źródła prądowe. Do najprostszych zaliczyć można te z rezystorem włączonym w szereg z diodą. W zależności od użytego materiału do wykonania diody możliwym jest uzyskanie praktycznie dowolnej barwy światła (kolor żółty, zielony, czerwony, niebieski, pomarańczowy) – rozwój tych przypada na lata osiemdziesiąte XX wieku. Białe światło uzyskano pod koniec lat dziewięćdziesiątych poprzez zmieszanie trzech barw RBG: czerwonej, zielonej i niebieskiej. Białe światło może być wytwarzane, przy obecnych rozwiązaniach, na dwa sposoby. Jednym sposobem jest mieszanie barwnego światła z trzech diod składowych, drugim przekształcenie światła diody niebieskiej bądź diody wytwarzającej promieniowanie UV, przy użyciu luminoforu. Wynalezienie diody UV w połączeniu z luminoforami dało możliwość wytwarzania światła białego o szerokiej gamie temperatur barwowych. Początkowo diody elektroluminescencyjne (ang. Light Emitting Diodes – LED) używane były przede wszystkim jako zamiennik wyświetlaczy w samochodach i sprzęcie elektrycznym. Dzisiaj posiadają wiele różnorodnych zastosowań i spotkać je można w wielu miejscach. Ze względu na bardzo małe zużycie energii, wyjątkową trwałość oraz mnogość możliwych zastosowań, LED są nowoczesnym, wydajnym źródłem światła do zastosowania w praktycznie każdym przypadku. Szybki postęp w produkcji półprzewodnikowych diod świecących LED sprawia, że coraz częściej pojawiają się one w zastosowaniach do oświetlenia wnętrz oraz obiektów zewnętrznych, w tym także dróg i ulic.

Technologia LED to przyszłość oświetlenia

Technologia wytwarzania oświetlenia LED to obecnie najnowocześniejszy i najszybciej rozwijający się rodzaj oświetlenia, zwany również światłem IV generacji. Obecny rozwój technologii LED, w kierunku energooszczędności i trwałości powoduje, że oświetlenie LED będzie pojawiać się w każdej dziedzinie i „rewolucja oświetleniowa” jest zjawiskiem nieuniknionym. Jeszcze niedawno wszyscy używali żarówek, które generowały światło z wydajnością 10 lm/W. Używane obecnie halogeny pracują z wydajnością ok. 25 lm/W, a świetlówki zapewniają od 50 lm/W do nawet 80lm/W. Technologia LED zapewnia już dziś w aplikacjach stosowanych na skalę przemysłową wydajności 100-130 lm/W, a wydajności 150- 200 lm/W są już poddawane odpowiednim badaniom w laboratoriach i będą wprowadzane w najbliższym czasie. Dodatkowymi czynnikami powodującymi, popularyzację LED są ciągle rosnące ceny energii oraz konieczność zwiększenia dbałości o środowisko naturalne poprzez ograniczenie emisji dwutlenku węgla oraz konieczność wyeliminowania ze źródeł światła rtęci oraz innych metali ciężkich. W sprzedaży dostępny jest coraz większy wybór produktów oświetleniowych wykorzystujących technologię LED. Zaczynając od najtańszych zbudowanych przy użyciu nierenomowanych diod oraz układów zasilających poprzez oprawywykorzystujące wysokiej jakości diody oraz zasilacze a kończąc na najdroższych w przypadku których oprócz dobrej jakości płacimy dodatkowo za znak firmowy producenta (dostawcy). Kupujący często sugerują się tylko ceną. Rozczarowanie przychodzi później, gdy „tanie” LED szybko się przepalają. Wniosek nasuwa się sam najlepiej wybrać te w których jest najlepszy stosunek ceny do jakości. W tym momencie pojawia się pyta nie jak tą jakość sprawdzić. Najlepiej poprzez sprawdzenie jak długo dany producent (dostawca) oferuje i sprzedaje swoje produkty oświetlenia LED oraz z jakim skutkiem (referencje, wykonane projekty). Dobre, wysokiej jakości lampy LED to efektowne i efektywne energetycznie światło. Dzięki wysokiej efektywności (skuteczności świetlnej) przynoszą oszczędności w rachunkach za energię elektryczną, a jednocześnie wytwarzają jednorodne światło dobrej jakości. Dzięki zastosowaniu nowatorskiej technologii są znacznie bardziej trwałe (żywotność 50 000 h – 100 000 h), niż wszelkie inne rodzaje źródeł światła. Nic dziwnego, że coraz więcej osób decyduje się na ich instalację także tam, gdzie wcześniej używali zwykłych żarówek. Nie każdy jednak wie, że lampa LED, to nie tylko świecąca dioda, ale też wbudowany elektroniczny układ zasilający. Tylko markowi producenci gwarantują, że kupując ich źródła światła LED rzeczywiście otrzymamy nowoczesny produkt najwyższej jakości. Ze względu na małą moc pojedynczych diod projektowanie opraw oświetleniowych z diodami LED wymaga zastosowania układów wieloźródłowych. Ilość światła wytwarzanego przez pojedynczą diodę jest zbyt mała dla celów oświetleniowych. Pojedyncze diody łączone są w większe struktury, nazywane modułami LED. Poszczególne diody są łączone ze sobą szeregowo, kolejne gałęzie równolegle. Ponieważ oprawa oświetleniowa z diodami LED jest w rzeczywistości oprawą wieloźródłową, niezbędnym jest zaprojektowanie wyjątkowo trudnego układu optycznego dla matrycy diodowej. Bryła fotometryczna oprawy oświetlenia ulicznego z wysokoprężną lampą wyładowczą jest bardzo specyficzna, nie wykazuje symetrii obrotowej, jest inna w kierunku wzdłuż jezdni i inna w poprzek. W oprawach oświetleniowychLED rozsył światłości może być kształtowany na kilka sposobów:

Przez równomierne rozłożenie diod o tej samej bryle fotometrycznej, na płaskiej powierzchni i montaż soczewki odpowiednio formujące bryłę fotometryczną na każdej diodzie. Nowoczesny, soczewkowy układ rozsyłu światła zapewnia równomierny rozkład natężenia światła na drodze i eliminuje straty związane z rozproszeniem niekontrolowanym i nadmiernym punktowym;
Montaż diod o takim samym rozsyle na specjalnie ukształtowanej (liniowo lub skokowo) powierzchni i wyposażenie każdej z diod w uformowane odbłyśniki – reflektory (fot. 4 – lampa LED z odbłyśnikiem). W przypadku diod – każda posiada swój własny układ optyczny idealnie dopasowany do drogi. Projektant w łatwy sposób spełni warunki równomierności.
Montaż diod o tym samym rozsyle na płaskiej powierzchni pod różnymi kątami (rozwiązanie rzadko stosowane z powodu trudności w uzyskaniu dokładności montażu). Lampy LED to skomplikowane urządzenia, w których zastosowane są elementy o zaawansowanej technologii zapewniające ich
prawidłową pracę. Ma to odzwierciedlenie w cenie, gdyż za jakość trzeba (i warto) zapłacić. Stosunkowo wąski kąt rozsyłu układów optyczno- -świetlnych diod LED umożliwia uzyskanie niskiego olśnienia od tego typu opraw, co jest dużą zaletą. Układy matryc LED zasilane są niskim napięciem stałym 12 V, 24 V lub 48V z układów zasilających, te z kolei zasilanie są napięciem sieciowym 230 V, 50 Hz.

Stosowane rozbudowane elektroniczne układy zasilające realizują i nadzorują wszystkie istotne parametry związane z prawidłowym działaniem matryc diodowych takich jak: stabilizacja prądu przewodzenia, temperatura pracy matrycy diodowej, sterowanie poziomem mocy pobieranej w zależności od warunków termicznych w oprawie – zmniejszanie poziomu strumienia świetlnego, regulacja mocy pobieranej, co w konsekwencji powoduje zmniejszanie poziomu natężenia oświetlenia lub luminancji w porze ciemnej, gdy natężenie ruchu pojazdów jest niskie (zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 13 201: 2007).

Diody LED nie emitują w wiązce świetlnej promieniowania ultrafioletowego ani podczerwonego. Istnieje jednak konieczność odprowadzenia dużych ilości ciepła z obudów złącz p-n. Realizuje się to poprzez stosowanie w oprawie radiatorów zapewniających dostatecznie szybkie odprowadzanie ciepła. Radiatorem często jest odpowiednio zaprojektowana obudowa oprawy. Termiczne warunki pracy diody są bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na parametry fotometryczne i jej trwałość. Zalety technologii LED Diody świecące LED są najnowszą generacją sztucznych źródeł światła. Ich ciągły rozwój pozwala przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości wyprą wiele rodzajów używanych dziś źródeł światła.

Pod względem technicznym można wymienić szereg korzystnych cech opraw oświetleniowych z diodami LED:

niższe zużycie energii elektrycznej (do 80% w porównaniu z tradycyjnymi źródłami);
dłuższa żywotność lamp ze źródłem światła LED (jest 5-10 razy większa od żarówek sodowych i sięga nawet 100 000 h);
charakteryzują się natychmiastowym startem z pełną mocą (osiągają właściwe natężenie oświetlenia natychmiast po załączeniu, bez oczekiwania na rozgrzanie);
brak migotania (efekt stroboskopowy);
brak promieniowania UV;
brak nagrzewania oświetlanych powierzchni i emisji ciepła w kierunku świecenia (odbiór ciepła przez radiatory);
zasilanie niskim, stałym napięciem (pracują zasilane 85-230VAC lub 12/24 VDC, zaletą paneli LED jest fakt, że nawet uszkodzenie jednej z diod nie spowoduje przerwania świecenia całego panelu);
wysoki współczynnik oddawania barw CRI>85 (to parametr określający zdolność źródła światła do oświetlenia obiektu w sposób najlepiej oddający barwy, im współczynnik ten jest wyższy tym barwy są lepiej oddawane, ewentualne rozpoznanie twarzy zarejestrowanej przez systemy monitoringu będzie znacznie ułatwione);
szeroka (pełna) gama kolorów i temperatur światła;
bezgłośna praca w każdych warunkach;
wysoka odporność na drgania i wibracje;
nowoczesny, soczewkowy układ rozsyłu światła (zapewnia równomierny rozkład natężenia światła na drodze i eliminuje straty związane z rozproszeniem niekontrolowanym i nadmiernym punktowym);
ekologiczne źródło światła bezpieczne dla środowiska naturalnego;
zwiększają ochronę środowiska naturalnego poprzez gotowość do pracy w autonomicznych systemach solarnych;
nieograniczona gama aplikacji i zastosowań. Zastosowanie oświetlenia lampami LED

W sklepach, restauracjach, biurach oraz w domach zastosowanie LED staje się coraz powszechniejsze. Dzisiaj stosowanie światła LED posiada wiele różnorodnych zastosowań i spotkać je można w wielu miejscach. Ze względu na bardzo małe zużycie energii, wyjątkową trwałość oraz mnogość możliwych zastosowań, LED są nowoczesnym, wydajnym źródłem światła do zastosowania praktycznie w każdym przypadku.

Dobre, wysokiej jakości lampy LED to efektowne i efektywne energetycznie światło, które możemy wykorzystać jako:

oświetlenie uliczne, dróg, parków, ogrodów, magazynów, parkingów, placów, tuneli;
oświetlenie obiektów użyteczności publicznej: szkół, przychodni i szpitali;
oświetlenie obszarów przemysłowych i mieszkalnych;
oświetlenie hoteli, restauracji, stacji paliw, sklepów i centrów handlowych, muzeum i kościołów;
oświetlenie obiektów sportowych i rekreacyjnych, basenów, itp. Pozyskiwanie środków na oświetlenie LED

Inwestycje w produkty oświetleniowe w technologii LED prowadzone przez jednostki samorządowe mogą być dofinansowane. Przedmiotem dofinansowania są zadania inwestycyjne wykorzystujące odnawialne źródła energii, przynoszące wymierny efekt ekologiczny w wyniku pozyskania energii odnawialnej oraz zwiększenie oszczędności energii poprzez zastosowanie oświetlenia LED w przestrzeni publicznej. Możliwa jest współpraca z instytucjami finansowymi, które posiadają w swojej ofercie produkty finansowe skierowane do jednostek samorządu terytorialnego, jak również do klientów komercyjnych.

Jednostki te wspomagają proces wymiany tradycyjnego oświetlenia na najnowocześniejsze energooszczędne w technologii LED w formie:

preferencyjnych kredytów na energooszczędne projekty;
wykorzystania środków unijnych;
sfinansowania inwestycji w ramach zaoszczędzonych środków z tytułu zastosowania energooszczędnej technologii LED.

Dofinansowania są udzielane przez instytucje krajowe, między innymi przez Wojewódzki i Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Inwestycje wykorzystujące odnawialne źródła energii są dofinansowywane nawet do 80% inwestycji przez fundusz unijne.

Lampy solarne i hybrydowe LED

Lampy solarne i hybrydowe (fot. 7) LED stanowią doskonałą alternatywę dla klasycznego oświetlenia. Znajdują zastosowanie jako autonomiczne źródła energii elektrycznej w miejscach gdzie dostarczanie energii elektrycznej z sieci nie jest możliwe lub jest nieopłacalne ekonomicznie. Lampy te mogą być stosowane jako oświetlenie uliczne, parków, parkingów, placów, ciągów pieszych, obszarów przemysłowych i mieszkalnych itd. Jedną z głównych zalet oświetlenia lampami solarnymi i hybrydowymi jest oszczędność na energii, kosztach instalacji i ko
sztach robót odtworzeniowych. Kolejną ważną cechą jest krótki czas realizacji inwestycji (bez dodatkowych umów i pozwoleń) oraz łatwość i szybkość montażu lamp. Każda z lamp LED jest autonomiczna, gotowa do działania natychmiast po zainstalowaniu. Autonomia lampy solarnej (czas pracy bez słońca) wynosi nawet kilka dni. Lampy solarne LED mogą pracować do kilkunastu godzin na dobę. Szczegóły specyfikacji lamp, takie jak: czas pracy lampy, rodzaj słupa, autonomia, moc źródła światła itp. mogą być zmieniane zależnie od wymagań klienta. System autonomiczny całoroczny projektuje się z myślą o najgorszych warunkach występujących w okresie zimowym. Jeżeli wymagana jest stabilna praca przez cały rok , co często zdarza się np. w przypadku układów zasilających znaki drogowe, to system baterii słonecznych musi być odpowiednio przewymiarowany. Wiąże się to oczywiście ze znacznie wyższą ceną. W przypadku gdy inwestor dopuszcza możliwość przerw w pracy systemu w najgorszych zimowych warunkach, można wykonać tańszy system. Podobnie wygląda przypadek czasu pracy lampy – noc w grudniu to 16-17 godzin i aby system pracował tak długo, musi być bardzo przewymiarowany. Jeżeli klient zdecyduje się na skrócenie czasu pracy do 7-8 godzin na dobę (co w przypadku 8-9 miesięcy w roku jest wystarczające) kosztem krótszej pracy zimą – cena systemu zostanie zredukowana. Korzyści i oszczędności wynikające z zastosowania oświetlenia LED

Na poniższym zdjęciu możemy zaobserwować oświetlenie ulicy przy zastosowaniu oprawy LED i oprawy sodowej. Już na pierwszy rzut oka widać różnicę, przy podobnej wartości oświetlenia powierzchni w białym świetle LED ulica wygląda jaśniej. Wynika to z wysokiego wskaźnika oddawania barw, jaki charakteryzuje się światło LED (blisko 85%). Lampy sodowe posiadają niski wskaźnik oddawania barw stąd, aby uzyskać podobny efekt oświetlenia potrzebują większej mocy i zużywają więcej energii. To wyjaśnia dlaczego nie ma potrzeby osiągania tego samego natężenia oświetlenia, aby osiągnąć ten sam efekt, jakim są dobrze oświetlone obiekty i ulice. Przy obecnie powszechnie stosowanym w życiu codziennym monitoringu miast, ulic, parkingów, obiektów przemysłowych, mieszkalnych, itd. oświetlone obiekty są łatwo identyfikowane (oświetlenie LED idealnie współgra z kamerami monitoringu). Więc w przypadku popełnienia przestępstwa, kradzieży, włamania lub gdy konieczne jest posiadanie nagrania z monitoringu uzyskujemy je w bardzo dobrej jakości.
Dodatkowo dzięki 6-krotnie dłuższej żywotności lamp LED zmniejszają się nakłady na konserwację oświetlenia. Nie trzeba również wymieniać i utylizować zużytych przez lata lamp sodowych. Oprócz efektów ekonomicznych zastosowanie lamp opartych na diodach LED przynosi globalne korzyści związane z ochroną środowiska naturalnego. Zmniejszona moc urządzeń świetlnych powoduje szerokie oddziaływanie na zmniejszenie ilości zanieczyszczeń, powstających w procesie produkcji energii elektrycznej.

Analizując oszczędności powstające przy zastosowaniu opraw.świetlnych LED, takie jak:

oszczędności zużycia energii elektrycznej; • mniejsze koszty konserwacji lamp;
brak potrzeby wymiany źródeł światła co 2-3 lata;
brak kosztów utylizacji zużytych źródeł światła;można stwierdzić, że inwestycja w wymianę ulicznego oświetlenia sodowego na oświetlenie LED zwraca się w ciągu 2 do 5 lat.