СКАЧАТЬ №4 2009 г. - Журнал "Светотехника"
advertisement
ÍÀÓ×ÍÎ-ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÉ ÆÓÐÍÀË Èçäàåòñÿ ñ ÿíâàðÿ 1932 ã. Ó×ÐÅÄÈÒÅËÈ: Ôåäåðàöèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ è ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ îáùåñòâ Àêàäåìèÿ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ íàóê ÐÔ Ðåäàêöèÿ æóðíàëà ÐÅÄÀÊÖÈÎÍÍÀß ÊÎËËÅÃÈß: Þ.Á. Àéçåíáåðã – ãëàâíûé ðåäàêòîð, Ë.Â. Àáðàìîâà, À.Å. Àòàåâ, Ñ.Ã. Àøóðêîâ – çàì. ãëàâíîãî ðåäàêòîðà, Â.Â. Áàðìèí, Â.Ï. Áóäàê, À.À. Ãðèãîðüåâ, À.À. Êîðîáêî, À.Ò. Îâ÷àðîâ, Ï.Â. Ïëÿñêèí, Ë.Á. Ïðèêóïåö, Â.Ì. Ïÿòèãîðñêèé, À.Ê. Ñîëîâü¸â, Ð.È. Ñòîëÿðåâñêàÿ, À.È. Òåð¸øêèí, Ê.À. Òîìñêèé 129626, Ìîñêâà, ïðîñïåêò Ìèðà, 106, ÂÍÈÑÈ, à/ÿ 34. Òåë. 7(495)682-26-54. Òåë/ôàêñ: 7(495)682-58-46. E-mail: werannik@mail.ru Èíòåðíåò: www.svetotekhnika.com Ýëåêòðîííàÿ âåðñèÿ æóðíàëà: www.elibrary.ru Ïî âîïðîñàì ðàçìåùåíèÿ èíôîðìàöèîííûõ ìàòåðèàëîâ îáðàùàòüñÿ ïî òåë./ôàêñó: 7(495)517-28-23, Àëåíà Àðòàìîíîâà E-mail: alena_artamonova@forareclama.ru Íàó÷íûé ðåäàêòîð Ñ.Ã. ÀØÓÐÊΠsvetlo-nr@yandex.ru Õóäîæåñòâåííîå îôîðìëåíèå Ò.À. ÄÂÎÐÅÖÊÎÂÀ Êîìïüþòåðíàÿ ïîäãîòîâêà èçäàíèÿ À.Ì. ÁÎÃÄÀÍΠÊîìïüþòåðíûé íàáîð Ì.Á. ÏÓÒÈËÎÂÑÊÀß Ðåäàêòîð àíãëîÿçû÷íîé âåðñèè Ð.È. ÑÒÎËßÐÅÂÑÊÀß lights-nr@inbox.ru Ïåðåïå÷àòêà ñòàòåé è ìàòåðèàëîâ èç æóðíàëà «Ñâåòîòåõíèêà» – òîëüêî ñ ðàçðåøåíèÿ ðåäàêöèè Çà ñîäåðæàíèå è ðåäàêöèþ èíôîðìàöèîííûõ ìàòåðèàëîâ îòâåòñòâåííîñòü íåñåò èñòî÷íèê èíôîðìàöèè Ìíåíèå ðåäàêöèè íå âñåãäà ñîâïàäàåò ñ ìíåíèåì àâòîðîâ ñòàòåé Ñäàíî â íàáîð 01.06.2009. Ïîäïèñàíî â ïå÷àòü 28.07.2009. Ôîðìàò 60õ88 1/8. Ïå÷. ë. 10,00. Çàêàç . Òèðàæ 2000. «Çíàê», 101000, Ìîñêâà, Ãëàâïî÷òàìïò, ï/ÿ 648, òåë. 361-93-77. Îòïå÷àòàíî â òèïîãðàôèè ÎÎÎ «Ãðóïïà Ìîðå» 101898, Ìîñêâà, Õîõëîâñêèé ïåð., ä. 9. ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ В НОМЕРЕ Васильев А.И., Василяк Л.М., Костюченко С.С,. Кудрявцев Н.Н., Соколов Д.В, Старцев А.Ю. Влияние пускового режима на срок службы электродов мощных амальгамных ламп низкого давления 4 Богданов А.А., Феопёнтов А.В. Эффективность каплевидного люминофорного слоя в мощном белом светодиоде 10 Рабинович О.И., Романов Н.В., Сизов С.С. Светодиоды: некоторые факторы, влияющие на деградацию 14 Еванжелиста П., Якубов Ш. Опыт проектирования осветительных установок с тяжёлыми условиями среды и эксплуатации в них светильников фирмы i-VALO 17 Сабхасис Неоджи, Саджой Пал, Бисванат Рой. Имитация и анализ работы системы смешанного освещения 21 Шварц П. Экономические и экологические недостатки дорожного освещения светильниками с плоским защитным стеклом 28 Навваб М. Моделирование цветового обличья остекления зданий при естественном освещении 32 Конференция LUX PACIFICA в Бангкоке. А.А. Коробко, О.П. Меламед 40 Бонати А. Энергосбережение посредством интеллектуальных систем светорегулирования 41 Тамаки Йаджи, Сунсуке Мицума, Фумио Огани, Хидекацу Учида, Ю Харада, Юки Хасегава. Разработка эталонного инфракрасного излучателя с планарной структурой 47 Кончи Икеда. Расчёт компактного светильника с учётом многократных отражений между лампой и отражателем 52 Ракутько С.А. Оптимизация технологического процесса облучения в АПК по минимуму энергоёмкости 57 Хаджиму Накамура. Новейшие достижения в области создания и применения белых светодиодов 62 Хайато Ито, Сейджи Кобаяси, Масакацу Нагаи, Акио Окада, Юнджи Ямамото. Измерения и расчёт яркости адаптации в подъездной зоне туннелей 66 Скен Д. Оценка влияния синего света на сон и бодрствование пожилых людей 70 Энергобезопасность на Петербургском международном экономическом форуме. Е.А. Лесман 45 Китаец и русский ввернули новую лампочку 73 Циркуляр для всех членов и Отделений МКО 60 4•2009 ИЮЛЬ•АВГУСТ (LIGHT & ENGINEERING) ДИСКУССИИ Стратегические проблемы отрасли с точки зрения внедрения инноваций. Е.В. Долин 74 ОБМЕН ОПЫТОМ Емельянов Н.И. О современном состоянии и некоторых направлениях развития российского светотехнического рынка 76 ХРОНИКА Встреча Президента России и Президента компании Royal Philips Electronics 13 Конференция EEDAL'09. Н.Е. Олофинская, А.С.Шевченко 31 Защита диссертации 44 ОАО «Электромонтаж» – 70 лет 44 Сессия МКО в Будапеште. А.А. Барцев, А.А. Коробко 79 Вечер светлых воспоминаний 80 Поздравляем: Гаврилкину Г. Н. 56 Пилипчука Р.В. 13 Нина Семёновна Иванова – 90 лет со дня рождения 72 ИНФОРМАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Белые светодиоды высокой мощности (GE Lighting) 1 Светодиодные кластеры NeoSvet 73 ООО «НЕОН-ЭК» – официальный дистрибьютор CREE 56 Международная выставка освещения и светового дизайна 61 Нанотехнологии – городскому освещению! (ProSoft) 46 Промышленные светильники i-VALO 20 Опоры компании «Opora Engineering» 2 с.обл. СВЕТОН – новая марка приборов 3 с.обл. Новый опыт в освещении (компания Vossloh-Schwabe) 4 с. обл. Влияние пускового режима на срок службы электродов мощных амальгамных ламп низкого давления А.И. ВАСИЛЬЕВ, Л.М. ВАСИЛЯК1, С.C. КОСТЮЧЕНКО, Н.Н. КУДРЯВЦЕВ, Д.В. СОКОЛОВ, А.Ю. СТАРЦЕВ ЗАО «НПО «ЛИТ», ОИВТ РАН, МЭИ (ТУ), Москва; МФТИ (ГУ), Московская обл. Аннотация Экспериментально исследованы процессы на электродах мощных бактерицидных амальгамных ламп низкого давления в пусковой период их работы, ведущие к потере эмиссионной способности электродов при многократных включениях ламп. Предложен способ борьбы с этим негативным явлением, который позволил увеличить максимально допустимое число включений ламп с 300 до 100 000, не меняя конструкцию и технологию производства ламп. Исследования проводились на лампах, наполненных газовой смесью Ar/Ne:60/40 (объёмные проценты) при давлении 160 Па, при токе 3,2 А и удельной мощности ламп 2,4–2,5 Вт/см. Ключевые слова: aмальгамные лампы, низкое давление, бактерицидное излучение, оксидные электроды, пусковой режим, срок службы, многократные включения. 1 Введение В настоящее время широко распространено обеззараживание воды, воздуха и поверхностей бактерицидным ультрафиолетовым (БУФ) излучением. Для его получения наиболее часто используются бактерицидные ртутные лампы низкого и высокого давления [1, 2], в том числе бактерицидные амальгамные лампы (АЛ) низкого давления (НД), а также импульсные разряды в газовых смесях [3, 4]. Из мощных источников БУФ излучения наиболее востребованы АЛ НД с удельной мощностью (Р1) 1–3 Вт/ см, энергетическим КПД в линии ртути 254 нм 30–40 % и сроком службы 12–16 тыс. ч при спаде потока излучения в указанной линии 15 % от начального. Срок службы мощных АЛ НД зависит от многих факторов, в том 1 4 E-mail: vasilyak@ihed.ras.ru числе от долговечности электродов. В этих лампах с током 2–5 А, в частности, используются оксидные электроды, принципы устройства и работы которых известны [5, 6]. Причины деградации эмиссионной способности оксидных электродов различны в разные периоды работы лампы. В пусковой период разрушение оксидного слоя электродов в основном связано с распылением активного вещества ионами, ускоренными в области катодного падения тлеющего разряда [7, 8]. Стадия тлеющего разряда всегда возникает в пусковом режиме (даже при самом «мягком» зажигании лампы), однако длительность её бывает различной. В мощных АЛ НД стадия тлеющего разряда длится дольше, и распыление электродов больше (из-за большего катодного падения), чем в обычных ртутных лампах НД. Это связано с двумя факторами. Во-первых, в пусковом периоде работы АЛ НД давление паров ртути мало (ртуть выходит из амальгамы по мере её разогревания). Вследствие этого, в первый момент тлеющий разряд горит в смеси буферных газов, потенциалы ионизации которых значительно выше, чем у ртути, из-за чего катодное падение и, соответственно, энергия бомбардирующих электроды ионов в «холодных» АЛ НД выше, чем в обычных ртутных лампах НД. Во-вторых, токи мощных АЛ НД достаточно велики (2–5 А), их электроды, соответственно, должны быть массивнее, а следовательно медленнее прогреваемыми, чем в ртутных лампах НД. При этом известно, что от температуры электродов зависит их электронная эмиссия, а, следовательно, и катодное падение (при повышении температуры электрода катодное падение снижается), в том числе в пусковой период работы ламп. От времени прогрева электродов до нужной температуры зависит и длительность стадии тлеющего разряда. Вли- яние процесса зажигания разряда на расходование эмиссионного материала электродов мощных АЛ НД имеет особо большое значение для ламп в устройствах с множеством циклов «включение – выключение». Перенос продуктов разрушения оксидного слоя на внутреннюю поверхность колбы – одна из причин снижения пропускания колбы и, как следствие, потока бактерицидного излучения лампы. При дуговом разряде эрозия активного материала электродов обусловлена, в основном, его термическим испарением [5], хотя ионное распыление тоже имеет место. Анализ процессов, приводящих к разрушению оксидного слоя на электродах дуговых ламп НД, приведён в [5, 8]. Кроме того причиной деградации эмиссионной способности электродов может быть термодеструкция (растрескивание, нарушение целостности) активного слоя электродов и некоторые другие факторы. Термодеструкция активного слоя электродов возможна при чрезмерно быстром их нагреве в момент скачкообразного перехода тлеющего разряда в дуговой. Данная работа посвящена исследованию процессов на электродах и в приэлектродных областях мощных АЛ НД в пусковой период их работы, приводящих к деградации эмиссионной способности электродов при многократных включениях, и поиску путей снижения негативного влияния этих процессов на электроды. Метод исследований Исследования проводились на АЛ НД, наполненных смесью Ar/Ne:60/40 (объёмные проценты) при давлении 160 Па, при токе ламп в стационарный период работы 3,2 А и удельной мощности 2,4–2,5 Вт/см. АЛ НД включались в сеть с ЭПРА, обеспечивавшим их зажигание в пусковой период и стабилизацию тока в период непрерывного горения, а также питание цепей подогрева электродов в оба эти периода. Частота тока АЛ НД составляла 43 кГц. Для выяснения причин ускоренной деградации эмиссионной способности электродов при многократных включениях АЛ НД последние испытывались на максимальное выдерживаемое ими число включений при работе с данным типом ЭПРА2. При этом после зажигания АЛ НД горели 6 мин, «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 затем отключались на 6 мин и затем цикл «включение – выключение» повторялся. (Данный цикл достаточно характерен для условий эксплуатации АЛ НД.) Наблюдался процесс зажигания АЛ НД посредством видеосъёмки и измерялись их электрические параметры в пусковой период. Исследовались также зависимости скорости спада потока БУФ излучения от числа включений и от времени непрерывного горения АЛ НД. Поскольку временной спад указанного потока вызывается ртутным загрязнением кварцевого стекла колб АЛ НД и загрязнением их продуктами распыления активного материала электрода3, на внутреннюю поверхность колб АЛ НД наносилось специальное покрытие, эффективно защищающее кварцевое стекло колбы от ртутного загрязнения [11]. Измерения потока БУФ излучения проводились по методике, описанной в [12], относительная погрешность – около 2 %. Электрические параметры ламп измерялись посредством анализатора мощности YOKOGAWA PZ 4000 с относительной погрешностью 0,5 %. Далее, исследуя процессы на электродах бактерицидных ламп НД в пусковой период важно измерять температуру электродов. Эти измерения прямыми методами (например, пирометрическим) затруднены недостаточно широким диапазоном измерений пирометров, слабой общей прозрачностью кварцевого стекла колбы ламп в ИК области спектра и др. Поэтому температура электродов ламп в основном оценивалась косвенным методом, основанным на измерении сопротивления электродов (до перехода тлеющего разряда в дуговой). Соответственно, температура каждого электрода лампы Т (в оС) определялась по выражению T = (RT/Ro – 1)/α, (1) где RT – сопротивление электрода при температуре Т; Ro – сопротивление электрода при Т = 0 °C; α – температурный коэффициент сопротивления вольфрама, 1/°C. При этом предполагалось, что Т = 130–900 °C. В этом диапазоне измене2 Конструкции электродных узлов этих ламп были исследованы нами ранее и оптимизированы для работы с данным типом ЭПРА [9, 10]. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 1. Динамика процесса зажигания лампы при работе со стандартным ЭПРА нием α в расчётах можно пренебречь, считая его равным 0,0053 1/°C, соответствующим средней Т ≈ 527 °C. Ro было определено по измеренному сопротивлению вольфрамового электрода при Т = 20 °C (R20): Rо = R20 (ρ0/ρ20), (2) где ρ 0 и ρ 20 – удельные сопротивления вольфрама при 0 и 20 °C соответственно [13]. Оказалось, что R20 = 0,225 Ом (среднее значение по 50 электродам) и, соответственно, по выражению (2), Rо = 0,205 Ом. И наконец, RT определялось измерениями напряжения и тока накала электрода. Параллельно измерялись напряжение на АЛ НД и ток АЛ НД, и проводилась видеосъёмка процесса зажигания АЛ НД. Результаты экспериментов При включении в сеть стандартные ЭПРА сразу подавали на АЛ НД напряжение до 400 В переменного тока частоты 43 кГц и обеспечивали переменный ток накала их электродов в пусковой период, равный 3,2 А (численно совпадает с током АЛ НД). Все значительные изменения тока накала происходят в первые 0,5 с работы ЭПРА, а в остальные моменты времени ток накала стабилизирован ЭПРА. Через 7–10 с на АЛ НД подаётся первый импульс высокого напряжения для их зажигания с амплитудой до 1,5 кВ. ЭПРА снабжены системой стабилизации тока накала электродов в пусковой период и номинального тока АЛ НД (с точностью ±100 мА) частоты 40 кГц. При работе АЛ НД со стандартными ЭПРА они после 200–300 включе3 Кроме того, колба может темнеть под действием излучения разряда. – Прим. ред. ний выходили из строя: их электроды полностью лишались оксидного слоя. После наблюдений процесса зажигания АЛ НД и анализа публикаций [7, 14–16] было предположено, что причина преждевременного выхода из строя электродов – наличие в пусковой период работы АЛ НД стадии тлеющего разряда, длительность которой – из-за недостаточно прогретых электродов – чрезмерно велика. (При этом тлеющий разряд приводит к ускоренному распылению оксидного слоя электродов.) Кроме того, было предположено, что при переходе разряда из тлеющего в дуговой оксидный слой электродов подвергается термодеструкции из-за резкого перепада температур. Для проверки последнего предположения определялись температуры электродов непосредственно перед зажиганием разряда – через измерение RT в пусковой период, по формуле (1). Параллельно измерялись напряжение на АЛ НД и ток АЛ НД. На рис. 1 показана динамика процесса зажигания АЛ НД в случае стандартного ЭПРА. Видны наличие тлеющего разряда в пусковой период работы АЛ НД (рис. 1, а-в) и переход его в дуговой разряд (рис. 1, г). Согласно осциллограммам напряжения на АЛ НД и тока АЛ НД в пусковой период при стандартном ЭПРА (рис. 2, а), действующие значения этих величин до перехода разряда из тлеющего в дуговой составляют 340 В и 40 мА, а непосредственно после перехода в режим дугового разряда – 90 В и 2,3 А соответственно. Как видно из рис. 3, а, в течение предварительного прогрева электродов напряжение накала на электроде не растёт, следовательно не растёт RT, и потому Т, несмотря на большой ток накала (3,53 А), практически не меняется. При этом при переходе от тлеющего разряда к дуговому происходит 5 Рис. 2. Осциллограммы напряжения на лампе U1 (жёлтый цвет) и тока лампы I1 (зелёный цвет): а – при использовании стандартного ЭПРА (виден переход тлеющего разряда в дуговой – зажигание лампы – в момент времени t ≈10 c: ток резко возрастает, напряжение падает); б – при использовании экспериментального ЭПРА (видно, что зажигание лампы происходит при t ≈ 15 c) падение тока накала с 3,53 до 0,6 А. Соответственно напряжение накала на электроде непосредственно перед переходом разряда из тлеющего в дуговой составляет 1,54 В, а RT, по закону Ома, равно 0,44 Ом. Этому, согласно (1), соответствует Т ≈ 200 °C. Длительность процесса перехода от тлеющего к дуговому разряду составляет около 100 мс. Поскольку температура катодного пятна намного выше 200 °C, переход электродов в режим работы с катодным пятном чрезмерно резкий, негативно сказывающийся на оксидном слое электродов [7]. Чтобы избежать затягивания стадии тлеющего разряда, тем самым снизив его негативное влияние на оксидный слой электродов, нами был создан экспериментальный ЭПРА. При работе АЛ НД с этим ЭПРА до момента прогрева электродов до необходимой Т отсутствуют как высокое напряжение на АЛ НД, так и высоковольтные импульсы зажигания. Время этого прогрева определяется током накала электродов до зажигания дугового разряда. Оно называется временем предварительного прогрева электродов, которое при использовании экспериментального ЭПРА составляет около 15 с (рис. 3, б). При 6 Рис. 3. Осциллограммы напряжения накала на электроде (на спирали) U2 (жёлтый цвет) и тока накала электрода I (зелёный цвет) лампы: а – при использовании стандартного ЭПРА (виден переход тлеющего разряда в дуговой – зажигание лампы – в момент времени t ≈10 c: ток резко возрастает, напряжение падает); б – при использовании экспериментального ЭПРА (видно, что зажигание лампы происходит при t ≈ 15 c) этом ток накала электродов в течение времени предварительного прогрева увеличен до 4,2 А 4. Данно е время при данном токе накала предварительно оценивалось по уравнению теплового баланса каждого электрода (3). Затем эта оценка проверялась экспериментально5. Указанное уравнение теплового баланса электрода имеет вид I2 RTdt ≈ CТmdT + S1 σεT × × [(T + 273)4 – (Ta + 273)4]dt + + λS2 (T – Ta) (L1–1 + L2–1)dt, 4 (3) Это значение выбиралось следующим образом. Сначала определялся максимально допустимый ток накала, ещё не вызывающий существенного термического испарения оксидного слоя. Он подбирался путём анализа результатов ресурсных испытаний стандартных бактерицидных ртутных ламп НД в непрерывном режиме горения при разных токах накала электродов и оказался равным 4,3–4,4 А. Соответственно, ток предварительного прогрева электродов АЛ НД был выбран чуть ниже этих ориентировочных экспериментальных пределов. Ток накала 4,2 А позволяет достаточно быстро нагревать электроды без ущерба для их оксидного слоя. где I – ток накала электрода в пусковой период; t – время; Tа – температура окружающей среды (с учётом колбы и цоколей, которые, как мы полагаем, лишь незначительно нагреваются при разогреве электрода в пусковой период); CТ – удельная теплоёмкость электрода; m – масса электрода; S1 – эффективная площадь излучающей поверхности электрода; σ – постоянная Стефана-Больцмана; εT – коэффициент излучения электрода (триспирального с оксидным слоем); λ и S2 – соответственно, коэффициент теплопроводности и суммарная площадь двух молибденовых держателей спирали электрода; L1 и L2 – длины этих держателей. При этом охлаждающим действием газовой смеси в начальный период мы пренебрегли, а CТ оценивали по формуле 5 Измерялись напряжение и ток накала на одном из электродов с помощью анализатора мощности YOKOGAWA PZ 4000, а затем, по закону Ома и формуле (1), вычислялась Т. Время возрастания этого напряжения до достижения (при фиксированном токе накала предварительного прогрева 4,2 А) необходимой расчётной Т и есть время предварительного прогрева электрода. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 CТ = a + bT – cT-2, (4) где а, b, c, как и сама формула, заимствованы из [17]. Для упрощения расчётов λ принимался постоянным и равным 132 Вт/ (м·оС), а εT – тоже постоянным и равным 0,49 6 [8] (что соответствовало окончанию периода предварительного прогрева электрода, то есть максимальной Т). Из (3) следует, что при I = 4,2 А и, например, m =0,78 г, Та = 20 °C, S1 = 1,885 · 10–4 м2, S2 = 2,8 · 10–7 м2, L1 = 38· 10–3 м, и L2 = 18 ·10–3 м электроды достигают необходимой T = 760 °C за время предварительного прогрева в 21,6 с. Эта температура близка к температуре электрода при дуговом разряде, которую приблизительно должен иметь электрод к моменту зажигания дугового разряда в АЛ НД во избежание термодеструкции оксидного слоя в этот момент и для улучшения эмиссионных свойств электродов. Был изготовлен соответствующий этому экспериментальный ЭПРА и экспериментально установлено (рис. 3, б), что минимальное время предварительного прогрева электродов до необходимой Т равно 14,5 с (расчётное же время предварительного прогрева электродов, как и ожидалось, несколько выше этого значения). Как видно из рис. 2, б, при использовании экспериментального ЭПРА в период предварительного прогрева электродов действующее напряжение на АЛ НД составляет только около 7 В и поэтому не способно вызывать тлеющий разряд. По истечении времени предварительного прогрева электродов на АЛ НД подаётся рабочее напряжение (с амплитудой до 400 В) и поджигающий импульс 6 Это значение εT промышленной суспензии, наносящейся на электроды. В действительности εT возрастает с ростом Т, и то, что его значение 0,49 соответствует концу периода предварительного прогрева электродов, а не его началу, даёт завышенное, а не заниженное, время предварительного прогрева электродов. Это не сказывается негативно на состоянии оксидного слоя, тогда как недогрев электродов (который имел бы место в противоположном случае) ведёт к термодеструкции оксидного слоя в момент зажигания АЛ НД (то есть возникновения дугового разряда). «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 4. Динамика процесса зажигания лампы при работе с экспериментальным ЭПРА (с амплитудой до 1 кВ), и в лампе зажигается тлеющий разряд, затем переходящий в дуговой. Так как тлеющий разряд возникает при уже прогретых электродах, его длительность значительно сокращается и взрывообразного возрастания Т при зажигании дугового разряда не наблюдается. Это, видимо, снижает распыление оксидного слоя и его термодеструкцию. Использование экспериментального ЭПРА способствует и снижению амплитуды поджигающего импульса, с 1,5 до 1 кВ (из-за роста термоэмиссии электронов). Длительность перехода тлеющего разряда в дуговой составляет около 1,5 мс. Для сравнения, длительность этого перехода при стандартном ЭПРА равна около 100 мс, а тлеющий разряд до этого перехода горел в АЛ НД порядка 10 с. Поэтому негативное воздействие плазмы на оксидный слой электрода в переходный период в случае экспериментального ЭПРА меньше, чем в случае стандартного [7, 16]. И чем больше эмиссионный ток в этот период, тем быстрей переход тлеющего разряда в дуговой. Однако во избежание чрезмерного испарения активного материала Т не должна быть слишком высока. Из рис. 3, б видно, что при использовании экспериментального ЭПРА в течение предварительного прогрева электродов напряжение накала и сопротивление электрода растут, откуда следует, что при токе накала 4,2 А растёт и Т. Из рисунка также видно, что непосредственно перед зажиганием дугового разряда действующие значения напряжения и тока накала электрода составляют 4,3 В и 4,2 А соответственно. При этом сопротивление электродов, по закону Ома, равно около 1 Ом, что соответствует, со- гласно (1), Т ≈ 760 °C (требуемый уровень нагрева электродов в пусковой период) 7. Указанное преимущество экспериментального ЭПРА наглядно показывается сравнением между собой рис. 1 и 4. При этом уменьшение потока ионов на электрод в катодный полупериод (ионов, ускоренных катодным падением потенциала в тлеющем разряде) уменьшает их воздействие на оксидный слой. Ресурсные испытания Результаты ресурсных испытаний (рис. 5–7) показывают явное преимущество эксплуатации АЛ НД с экспериментальным, а не со стандартным ЭПРА: многократные включения АЛ НД при работе с экспериментальным ЭПРА не оказывают заметного отрицательного влияния на оксидный слой электродов как в пусковом, так и в рабочем режимах горения АЛ НД. При этом принцип работы экспериментального ЭПРА защищён патентами [18, 19]. В дальнейшем все участвовавшие в испытаниях АЛ НД после 5138 циклов «включение – выключение» отработали ещё свыше 12 тыс. ч в непрерывном режиме с экспериментальным ЭПРА (столько же, сколько способны работать в непрерывном режиме АЛ НД со стандартным ЭПРА). Всего ресурсные испытания с циклами «включение – выключение» при работе с экспериментальным ЭПРА прошли 50 АЛ НД. Все они выдержали не менее 5000 этих циклов. При этом рис. 5–7 касаются значи7 Измерение Т с помощью пирометра с исчезающей нитью «Проминь» показало близкое значение – около 800 °C. 7 Рис. 5. Внешний вид электрода лампы по окончании её ресурсных испытаний: а – после 300 циклов «включение – выключение» при использовании стандартного ЭПРА (лампа вышла из строя, видно отсутствие оксидного слоя); б – после 5138 циклов «включение – выключение» при использовании экспериментального ЭПРА (лампа работоспособна и видно, что оксидный слой практически цел) Рис. 6. Зависимость относительного потока излучения в линии ртути 254 нм лампы (Фе) при использовании экспериментального ЭПРА от числа циклов «включение – выключение» (N). (За 100 % принято значение этого потока после первых 100 ч горения лампы в непрерывном режиме. 5138 указанных циклов приходятся на последующие 514 ч указанного горения.) тельного большинства этих АЛ НД. Кроме того, для имитации работы АЛ НД при температуре обеззараживаемой воды около 1–3 ºС (обусловливающей пониженное давление паров ртути) было изготовлено 10 безртутных (точнее, безамальгамных) вариантов АЛ НД и также показано, что и они, работая с экспериментальным ЭПРА, выдерживают не менее 5000 циклов «включение – выключение». И наконец, из рис. 3, б видно, что сразу после зажигания АЛ НД (возникновения дугового разряда) напряжение накала на электроде в течение примерно 15–16,5 с оказывается ниже чем впоследствии (то есть электрод в этот период переохлаждён). Причина этого понятна из рис. 2, б: ток дугового разряда выходит на максимум тоже приблизительно в это время. Чтобы скомпенсировать такое «послестартовое» переохлаждение электродов были изготовлены другие экспериментальные ЭПРА, при использовании которых ток накала электродов при их предварительном прогреве спадает с 4,2 до 0,6 А (рис. 3, б) не 8 сразу, а за 1–1,5 с после зажигания АЛ НД. Лампа, работавшая с этим типом ЭПРА, выдержала 100 тыс. циклов «включение – выключение» и на момент отправки рукописи статьи в журнал (январь 2009 г.) продолжала работать в том же режиме. Спад потока излучения АЛ НД в линии ртути 254 нм при этом составил 15 % от начального (на 100 ч горения). Выводы Основная причина сокращения срока службы мощных АЛ НД при частых включениях – потеря эмиссионной способности электродов из-за воздействия на них (распыление активного слоя) тлеющего разряда, возникающего в момент подачи на АЛ НД высокого напряжения и длящегося в течение времени (пускового периода), необходимого для прогрева электродов, образования катодного пятна и перехода тлеющего разряда в дуговой. Для уменьшения этого воздействия в пусковой период необходимо исключать или предельно сокращать стадию тлеющего разряда, поэтому на АЛ НД в период предварительного прогрева электродов не должно подаваться рабочее напряжение и высоковольтные импульсы зажигания. Необходимо также повышать температуру электродов на момент зажигания дугового разряда, которая, однако, не должна вызывать чрезмерного испарения активного слоя электродов и для каждого типа электродов подбирается экспериментально. Оптимальная температура электродов перед зажиганием дугового разряда должна быть близка к таковой в самый момент зажигания дугового разряда, что уменьшает термодеструкцию активного слоя электродов и повышает термоэлектронную эмиссию. С этой же целью ток накала электродов при их предварительном прогреве должен спадать до своего уровня в непрерывном рабочем режиме горения АМ НД не сразу, а за 1–1,5 с после зажигания дугового разряда (то есть по окончании соответствующих переходных процессов). Указанный подход позволил увеличить максимально допустимое число включений АЛ НД за срок службы с 300 до 100000 без изменений конструкции (в том числе электродных узлов) и технологии производства этих ламп. В режиме непрерывного горения АЛ НД спад её потока БУФ излучения от начального (на 100 ч горения) после 5 тыс. ч работы со стандартным ЭПРА практически тот же, что и у АЛ НД после 5 тыс. ч работы в том же режиме с экспериментальным ЭПРА, но дополнительно испытавшей 5138 циклов «включение – выключение». (В дальнейшем обе сравниваемые лампы отработали свыше 12 тыс. ч, показав практически одинаковую динамику спада потоков БУФ излучения.) «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 жигания газоразрядной лампы // Патент России № 2328094, 27.06.2008. 19. Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Васильев А.И. и др. Способ и устройство для зажигания газоразрядной лампы // Патент России № 2319323, 10.03.2008. Васильев Александр Иванович, кандидат химических наук. Окончил в 1968 г. МФТИ. Заместитель директора ЗАО «НПО «ЛИТ» Василяк Леонид Михайлович, Рис. 7. Зависимость относительного потока излучения лампы в линии ртути 254 нм (Фе) от времени её горения (t): 1 – при использовании экспериментального ЭПРА (первые 514 ч лампа горела в циклическом режиме «включение – выключение», всего 5138 циклов, а затем – в непрерывном; 2 – при использовании стандартного ЭПРА (режим непрерывного горения) СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Рохлин Г. Н. Разрядные источники света. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 720 c. 2. Справочная книга по светотехнике / Под. ред. Ю.Б.Айзенберга. 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Знак, 2006. 972 с. 3. Маршак И.С., Дойников А.С., Жильцов В.П. и др. Импульсные источники света / Под общ. ред. И.С. Маршака. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1978. 472 с. 4. Басов Ю.Г. Источники накачки микросекундных лазеров. М: Энергоатомиздат, 1990. 239 с. 5. Уэймаус Д. Газоразрядные лампы. – М.: Энергия, 1977. 344 с. 6. Chittka, U., et al. Electrodes for gas discharge lamps // Applied Surface Science. – 1997. – Vol. 111. – P. 302–310. 7. Haverlag, M., et al. High – frequency cold ignition of fluorescent lamps // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2002. – Vol. 35. – P. 1695–1701. 8. Охонская Е.В., Решенов С.П., Рохлин Г. Н. Электроды газоразрядных источников излучения: Учеб. пособие. – Саранск: Из-во Морд. гос. ун-та, 1978. 9. Drozdov, L.A., Sokolov, D.V, Kostyuchenco, S.S., Startsev, A.U. The features of electrode units of low pressure power discharge lamps// 13 symp. der DAfP «Licht für den Arbeitsplatz». 10–14.04.2008, Darmstadt: Die Werke der Symp., 2008. – P. 20–24. 10. Васильев А.И., Василяк Л.М., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Микаева С.А., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Продление срока службы амальгамных ламп низкого «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 давления путём улучшения конструкции электродного узла // Инженерная физика. – 2009. – № 1. – С. 25–31. 11. Васильев А.И., Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Кузьменко М.Е., Печеркин В.Я. Влияние защитного слоя на длительность горения и излучение кварцевых газоразрядных ламп низкого давления // Письма в ЖТФ. – 2006. – Т. 32, Вып. 1. – С. 83–88. 12. Кузьменко М.Е., Печеркин В.Я., Костюченко С.В. Методика измерения УФ излучения трубчатых бактерицидных ламп низкого давления // IV Межд. светотехн. конф. «Светотехника на рубеже веков: достижения и перспективы». 19–22.04.2000, Вологда: Тез. докл., 2000. С. 157–158. 13. Физические величины. Справочник / Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с. 14. van den Hoek, W. J., et al. Emitter depletion studies on electrodes of 50 Hz mercury/noble gas discharge lamps during ignition. // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2002. – Vol. 35. – P. 1716–1726. 15. Bhattacharya, A.K. Measurement of barium loss from a fluorescent lamp electrode by laser – induced fluorescence // J. Appl. Phys. – 1989. – Vol. 65, № 12. – P. 4595–4602. 16. Bhattacharya, A.K. Measurement of barium ion density in the vicinity of fluorescent lamp electrodes // J. Appl. Phys. – 1989. – Vol. 65, № 12. – P. 4603–4607. 17. Справочник химика: В 6 томах. Т. 1 / Под ред. Б.П. Никольского. – М.-Л.: Химия, 1962. 1069 с. 18. Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Васильев А.И. и др. Способ и устройство для за- доктор физикоматематических наук, профессор. Окончил МФТИ. Главный научный сотрудник ОИВТ РАН Костюченко Сергей Сергеевич, студент 6 курса МЭИ (ТУ). Специальность «Светотехника и источники света» Кудрявцев Николай Николаевич, доктор физикоматематических наук, профессор. Окончил в 1973 г. МФТИ. Ректор МФТИ (ГУ). Член-корр. РАН Соколов Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук. Окончил в 1996 г. МЭИ (ТУ). Начальник светотехнической службы ЗАО «НПО «ЛИТ» Старцев Андрей Юрьевич, физик. Окончил МФТИ в 1999 г. Научный сотрудник ЗАО «НПО «ЛИТ» 9 Эффективность каплевидного люминофорного слоя в мощном белом светодиоде А.А. БОГДАНОВ, А.В. ФЕОПЁНТОВ 1 ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», Санкт-Петербург Аннотация Разработан вариант конструктивного исполнения белого светодиода (БСД) типа ИРС-50 без отражателя с конформным люминофорным слоем в виде лежащей капли, что перспективно для уменьшения размеров БСД. В результате технологической подготовки производства этого варианта достигнут требуемый уровень эффективности преобразования лучистой энергии в световую для двух используемых при этом люминофоров: на основе иттрий-алюминиевого граната и силикатного. 1 1 Е-mail: A.Feopentov@gmail.com Показана применимость при разработке и производстве БСД ранее предложенной авторами теории оценки эффективности преобразования лучистой энергии в БСД. Ключевые слова: белый светодиод, с отражателем, без отражателя, голубой кристалл, голубой светодиод, люминофорная смесь, компаунд, люминофорный слой, каплевидный, люминесценция, квантовый выход, энергетический выход, эффективная длина волны, эффективность преобразования, лучистая энергия. В настоящее время во многих типах белых светодиодов (БСД), в том числе и мощных, применяется такой конструктивный элемент как отражатель. Таблица 1 Типичные номинальные характеристики белого светодиода типа ИРС-50 Рабочий ток, мА 350 Прямое напряжение, В 3,0 Коррелированная цветовая температура, К 4200 Угол излучения, о 80 Общий индекс цветопередачи 70 Световой поток, лм 30 Световая отдача, лм/Вт 29 Рис. 1. Схематические изображения двух вариантов конструкции мощных белых светодиодов – с отражателем (а) и без отражателя (б): 1 – отражатель; 2 – лунка линзы, заполненная компаундом; 3 – люминофорная смесь с соответствующим компаундом; 4 – кристалл; 5 – подкристальная плата; 6 – линза 10 Он, как правило, формируется литьевым методом из пластика, достаточно устойчивого к изменениям температуры среды, например из полиамида [1]. В БСД отражатель выполняет роль ёмкости для люминофорной смеси. В его полости располагается также голубой кристалл БСД (рис. 1, а). Однако же известны и конструкции БСД без отражателя. Отсутствие отражателя открывает возможность уменьшения габаритов БСД (рис. 1, б). В статье освещается ход и результаты создания варианта мощного БСД без отражателя с конформным люминофорным слоем (имеет почти одинаковую радиальную толщину во всех направлениях в сторону линзы), практически не уступающего по световой отдаче БСД с отражателем и заполняющей его полость люминофорной смесью. Эксперименты по созданию нового люминофорного слоя проводились на базе мощного БСД типа ИРС-50 (табл. 1), разработ а н н о го и в ы п у с ка е м о го З АО «Светлана-Оптоэлектроника» [2]. Созданный конформный люминофорный слой имел вид полусферической капли, лежащей на подкристальной плате (рис. 1, б). При этом использовалась квадратная подкристальная плата с размером стороны 3 мм, что на 1 мм меньше, чем у аналогичной подкристальной платы под отражатель. В процессе нанесения люминофорного слоя его каплевидность создаётся силами поверхностного натяжения. При этом оказалось, что наиболее значимы для создания капли не наличие или отсутствие проволочных перемычек (разварок), а степень чистоты поверхности и отсутствие дефектов на краю подкристальной платы. Для приготовления люминофорной смеси и заполнения лунки пластиковой линзы использовались разные силиконовые компаунды. Для люминофорной смеси использовался компаунд, относящийся к категории оптических эластомеров, с коэффициентом преломления в видимой области спектра около 1,6. Оптический контакт люминофорного слоя с линзой обеспечивался компаундом лунки, из категории оптических гелей, с коэффициентом преломления около 1,4. Различие природы двух этих компаундов создавало различие механических свойств люминофорного и гелевого слоёв. Особенную роль «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Таблица 2 Некоторые параметры двух вариантов белого светодиода при токе 350 мА Вариант исполнения белого светодиода Поток излучения, мВт Световой поток, лм Световая эффективность излучения, лм/Вт Световая отдача, лм/Вт По рис. 1, а 116 ± 7 35 ± 2 303 ± 3 33 ± 3 По рис. 1, б 110 ± 3 33 ± 1 300 ± 5 31 ± 1 Таблица 3 Эффективность преобразования лучистой энергии (ЭПЛЭ) в белом светодиоде при токе 350 мА Вариант исполнения люминофорного слоя Экспериментальное значение ЭПЛЭ По рис. 1, а 0,58 ± 0,03 По рис. 1, б 0,55 ± 0,02 Максимальное (расчётное) значение ЭПЛЭ (ϑ ) Разница между максимальным и экспериментальным значениями ЭПЛЭ 0,11 0,69 0,14 Таблица 4 Основные результаты отработки технологии нанесения каплевидного люминофорного слоя (при токе и коррелированной цветовой температуре белых светодиодов 350 мА и 4100–4400 К соответственно) Тип люминофора Энергетический выход люминесценции (ξ) Экспериментальное значение эффективности преобразования лучистой энергии в светодиоде (ЭПЛЭ) ИАГ 0,63 0,57 ± 0,03 Силикатный 0,46 0,52 ± 0,02 при этом играет соотношение твёрдостей указанных компаундов в отверждённом состоянии. (Эта особенность отражена в патенте авторов [3].) Соответственно, компаунд люминофорной смеси должен быть достаточно твёрдым (около 50 единиц класса А по Шору), что минимизирует скорость деградации цветности излучения БСД. Согласно предварительным экспериментам, в недостаточно твёрдом компаунде люминофорной смеси частицы люминофора постепенно отдаляются от кристалла (рис. 2). При этом снижается концентрация эффективно преобразующих излучение кристалла люминофорных частиц и, соответственно, возрастает доля голубой составляющей излучения БСД. Благодаря применению компаунда с твёрдостью выше некоторого уровня (предположительно, 10–20 единиц класса А по Шору) люминофорные частицы не меняют своего положения при горении БСД. В БСД типа ИРС-50 (рис. 1, а) линза устанавливается после заполнения её лунки соответствующим компаундом и его отверждения. Подобная технология в настоящее время находит большее применение в производстве мощных БСД, чем известный процесс «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 установки линзы с последующими заполнением лунки компаундом (обычно через узкий канал) и отверждением компаунда. После полимеризации компаунд лунки линзы существенно мягче компаунда люминофорной смеси (твёрдость не превышает 10 единиц класса 00 по Шору). Благодаря этому при установке линзы компаунд лунки деформируется люминофорным слоем, а не наоборот, и устойчивая форма люминофорного слоя в сочетании с неизменным расположением люминофорных частиц обеспечивает высокую стабильность цветности излучения БСД. БСД с каплевидным люминофорным слоем сравнивались со стандартными БСД типа ИРС-50 (с люминофорным слоем, заполняющим полость отражателя). Поток излучения кристаллов в обоих случаях составлял 130–140 мВт при токе 350 мА. При этом диапазоны доминантных и эффективных длин волн возбуждающего излучения равнялись 461– 468 и 459–466 нм соответственно. Для последующей обработки отбирались экспериментальные данные только по БСД (по 100 шт. с каждым вариантом исполнения люминофорного слоя) с координатами цветно- Световой поток светодиода, лм 35 ± 2 сти излучения х = 0,365 ± 0,005 и у = 0,365 ± 0,010 (табл. 2). (Это соответствует диапазону коррелированных цветовых температур 4300–4500 К.) Причём использовался люминофор на основе иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) с квантовым выходом люминесценции около 90 % и коэффициентом отражения около 9 % на пиковой длине волны возбуждающего излучения 460 нм. При оценке энергетической эффективности использовалась теория, основы которой достаточно подробно изложены в статье [4]. В ней максимальная (теоретическая) эффективность преобразования лучистой энергии в БСД (ЭПЛЭ) ϑ определяется как отношение потока излучения БСД Фw к потоку излучения голубого СД сравнения (ГСД-С) Фb, при условии, что ГСД-С конструктивно отличается от БСД только отсутствием люминофорной смеси 2: 2 То есть, если БСД содержит, например, отражатель, заполненный определённой люминофорной смесью (компаундом с частицами люминофора), то ГСД-С – это ГСД, содержащий такой же отражатель, заполненный тем же компаундом, но без люминофорных частиц. 11 Рис. 2. Схематические расположения люминофорных частиц размером (10 ± 5) мкм после 0 (а) и 1000 (б) ч горения светодиода при рабочем токе 350 мА и использовании компаунда недостаточной твёрдости (менее 20 единиц класса 00 по Шору) ϑ= Фw . Фb Расчёт ϑ , согласно [4], ведётся по выражению ϑ= ξ + Сξ , ξ +С где С – отношение потока излучения люминофора к выходящей из БСД (без рассеяния на люминофорных частицах) доли потока излучения ГСД-С; ξ – энергетический выход люминесценции (здесь отношение потока излучения люминофора к падающей на люминофор доле потока излучения ГСД-С). Упрощённо ξ может [4] рассчитываться по формуле ξ ≈ η (1 − R ) λe , λp где λе – эффективная длина волны возбуждающего излучения 3; λP – эффективная длина волны излучения люминофора3; R – коэффициент отражения люминофора на длине волны λе; η – квантовый выход люминесценции (отношение числа испущенных и поглощённых люминофором квантов света на длинах волн λP и λе соответственно). Далее оценивалось различие между экспериментальными значениями ЭПЛЭ и ϑ для различных вариантов конструкции и цветности излучения БСД. (Для оценки экспериментальных значений ЭПЛЭ обычно измеряют отношение потоков излучения БСД 3 12 Соответствующая центру тяжести кривой спектральной плотности потока этого излучения. и ГСД-С.) Соответствующие результаты приведены в табл. 3. По результатам данного эксперимента, вариант БСД с отражателем (рис. 1, а) оказался энергетически несколько эффективнее, и, поскольку у обоих вариантов БСД люминофор одинаков, световые эффективности их излучения в выбранном узком диапазоне цветности оказались достаточно одинаковы (303 и 300 лм/Вт). К тому же, использовавшиеся кристаллы имели близкие потоки излучения (130–140 мВт). По этим данным, как легко подсчитать, из-за разницы ЭПЛЭ, равной 0,03, БСД с отражателем (рис. 1, а) опережают БСД без отражателя (рис. 1, б) по световому потоку почти на 2 лм (по световой отдаче почти на 2 лм/Вт) при токе 350 мА. В ходе последующих экспериментов по отработке технологии получения каплевидного люминофорного слоя ЭПЛЭ в БСД по рис. 1, б повысилась, практически сравнявшись с ЭПЛЭ в БСД по рис. 1, а: 0,58 ± 0,03. При одном и том же потоке излучения кристаллов и почти одинаковой цветности излучения сравниваемых вариантов это позволило довести световой поток БСД без отражателя до уровня, характерного для БСД типа ИРС-50 (с отражателем). При этом эксперименты проводились не только с люминофором на основе ИАГ, но и с силикатным люминофором с квантовым выходом люминесценции около 76 % при длине волны возбуждающего излучения 460 нм и коэффициентом отражения около 23 % на этой длине волны. Поскольку характеристики силикатного люминофора в целом хуже, чем у использовавшегося в эксперименте ИАГ, то и соответствующие значения ξ и ЭПЛЭ оказываются ниже. Соответствующие данные, полученные в рассматриваемых экспериментах, сведены в табл. 4. При этом, хотя применение силикатного люминофора вместо люминофора на основе ИАГ и снижает ЭПЛЭ, на световом потоке БСД это не сказывается из-за большей (340 лм/Вт), чем у второго (310 лм/Вт), световой эффективности излучения (L) первого люминофора. В соответствии с этим, конечную максимальную оценку эффективности преобразования лучистой энергии в БСД целесообразно определять произведением ϑ L [лм/Вт]. Таким образом, нами разработан вариант конструктивного исполнения белого светодиода (БСД) типа ИРС50 без отражателя с конформным люминофорным слоем в виде лежащей капли, что перспективно для уменьшения размеров БСД. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Zimmerman, R. The Value of Injection Moldable Materials in HB & UHB LED Device Packaging Applications // Proc. of LED Packaging Conference’06 (CD-ROM), 19–21.04.2006, Penang, Malaysia. – Р.14. 2. Богданов, А.А., Васильева Е.Д., Зайцев А.К. Мощные светодиоды и светотехнические изделия на их основе // Светотехника. – 2007. – № 3. – С. 12–19. 3. Феопёнтов А.В., Богданов А.А., Нахимович М.В. Светодиод с двухслойной компаундной областью // Патент России № 2331951. 2008. Бюл. № 23. 4. Богданов А.А., Феопёнтов А.В. Эффективность белых светодиодов // Светотехника. – 2007. – № 4. – С. 32–34. Богданов Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент. Окончил в 1997 г. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (СПбГЭТУ). Заместитель директора по маркетингу ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» Феопёнтов Анатолий Валерьевич, инженер. Окончил в 1998 г. СанктПетербургский государственный технический университет (СПбГТУ). Начальник отдела разработки оптоэлектронных приборов ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Встреча Президента России и президента компании Royal Philips Electronics Амстердам (Оkura Hotel). 20 июня 2009 года в честь открытия Эрмитажа в Амстердаме, спонсируемого компанией Philips, Президент и Генеральный директор компании Royal Philips Electronics Жерар Кляйстерли передал Президенту Российской Федерации Дмитрию Анатольевичу Медведеву сувенир, символизирующий 111-летнюю историю компании Philips в России – композицию с лампой Philips 1898 года с угольной нитью накаливания и новейшей светодиодной лампой Philips MASTER LED. В 1898 году Антон Филипс, один из основателей компании Philips, заключил первый крупный экспортный контракт на поставку 50 тыс. ламп с угольной нитью накаливания для освещения Зимнего Дворца, который позже стал главным зданием великолепного Государственного Эрмитажа. В 2009 году компания Philips выводит на российский рынок инновационную светодиодную лампу MASTER LED Glow со сроком службы около 45 лет и способностью экономить 80 % электроэнергии, расходуемой сегодня традиционными источниками света. Поздравляем с юбилеем! Ðåäàêöèÿ è ðåäêîëëåãèÿ æóðíàëà, ìíîãî÷èñëåííûå äðóçüÿ è êîëëåãè ïîçäðàâëÿþò Ãëàâíîãî ñâåòîòåõíèêà ÎÑÏ «Êîðïîðàöèÿ «ÂÀÒÐÀ» (Óêðàèíà) Романа Владимировича Пилипчука ñ 60-ëåòèåì è æåëàþò åìó çäîðîâüÿ, ñ÷àñòüÿ è âñåãî ñàìîãî äîáðîãî. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 13 Светодиоды: некоторые факторы, влияющие на деградацию О.И. РАБИНОВИЧ 1, Н.В. РОМАНОВ, С.С. СИЗОВ Институты физико-химии материалов и базового образования Национального исследовательского технологического университета «Московский институт стали и сплавов» Аннотация В работе рассматриваются направления развития светодиодов и факторы, влияющие на деградацию их рабочих характеристик, предлагаются пути нейтрализации некоторых из этих факторов. Ключевые слова: светодиоды, AlGaInN, деградация, ультразвук. 1 Введение Светодиоды (СД) используются в наши дни практически во всех сферах деятельности. Их применяют для создания полноцветных экранов и для заднего освещения жидкокристаллических экранов [1], в оборудовании автомобилей и авиалайнеров [2–4], в индикаторах и информационных табло [5], в мобильных телефонах и сигнально-аварийных знаках [6–8], в светофорах, в медицинских приборах [9–11] и для др. целей. Одно из самых важных применений СД – создание светодиодных источников света для наружного и внутреннего освещения. Это весьма актуально особенно ввиду мировых тенденций развития осветительной техники [12] 2. Широкое распространение СД стало возможным благодаря росту их светового потока, световой отдачи и снижению стоимости единицы светового потока. За последние 10 лет, например, световой поток белых СД вырос с 0,5 лм в 1996 г. до 400 лм на начало 2009 г. За это же время стоимость 1 лм светового потока этих СД упала с 3 до € 0,1 [13], а их внутренний квантовый выход вырос с 10 до 60 %. 1 E-mail: Rabinwork@mail.ru 2 Уже с 1.09.2009 в странах ЕС и в США прекращается продажа ЛН мощностью в 60 и более Вт. При этом страны ЕС в основном переходят на использование КЛЛ и ГЛН и только потом на СД, США же рассчитывают на первоочерёдное использование СД. 14 Из основных путей создания белых СД – на основе сочетания голубой многокомпонентной гетероструктуры (МКГ) либо с жёлто-зелёным, либо с зелёным и красным люминофорами и на основе сочетания красных, зелёных и голубых МКГ – наиболее экономичен первый. Световая отдача белых СД на сегодня составляет более 140 лм/Вт, что вдвое выше, чем у ЛЛ, и приближает время замены современных источников света светодиодными [14]. Но требуется ещё повысить световую отдачу, а также стабильность характеристик СД. (По данным компании Sandia Labs путём смешения излучений специально отобранных голубых, зелёных, жёлтых и красных МКГ возможно получение световой отдачи до 400 лм/Вт.) При этом не решён ряд проблем – повышение срока службы СД, прогнозирование скорости деградации их рабочих характеристик при длительной эксплуатации, выяснение воздействий на эти характеристики различных внешних факторов и др. Одно из малоизученных подобных воздействий – деградирующее ультразвуковое (УЗ) воздействие (УЗВ) на рабочие характеристики СД. Оно очень важно, так как ультразвук используется в производстве СД, и в об- ластях применения СД возможно наличие УЗВ (аэрокосмическая область, медицина и др.). В связи с этим ниже представлены результаты наших исследований влияния УЗВ на деградацию рабочих характеристик СД. Эксперимент и обсуждение его результатов Использовались две технологии сборки верхнего контакта кристалла СД: термокомпрессия золотой проволоки и УЗ сварка алюминиевой проволоки. Обнаружено, что УЗВ этой сваркой, даже без длительной эксплуатации СД, отрицательно воздействует на их рабочие характеристики (рис. 1), и прогнозный спад светового потока после 50 тыс. ч наработки от начального составляет 40 и 75 % соответственно. Изучалось также влияние УЗВ другого рода на деградацию рабочих характеристик СД при наработке. При этом (рис. 2) от генератора 1 переменное напряжение УЗ частоты подавалось на обкладки пьезокварца Q. Частота и амплитуда входного сигнала измерялись частотомером 2 и милливольтметром 3 соответственно. Напряжение выходного сигнала, пропорциональное амплитуде деформации пьезокварца, снималось с измерительного резистора R, последовательно включённого с пьезокварцем, и измерялся милливольтметром 4. СД прикреплялся к средней части пьезокварцевого стержня (Х-среза), где находилась пучность стоячей продольной волны напряжения (деформации). Максимальная ам- Рис. 1. Зависимость относительного светового потока светодиода (Фv) от времени его наработки (t) при плотности рабочего тока 53 А/ см2 и двух способах сборки верхнего контакта: 1 – термокомпрессия, 2 – ультразвуковая сварка «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 плитуда механического напряжения в пучности УЗ волны (σ0) составляла около 2,8·106 Па. Испытывались СД с различными конструкциями МКГ AlGaInN (на подложках из Al2O3 и SiC) компаний Nichia Chemical Ind. Ltd. и Kingbright с кристаллами компании Cree Inc. Исследование проводилось в промышленном диапазоне частот 64–106 кГц с циклами УЗВ по 1,5 ч. Мощность УЗ волны (Р) воздействующей на МКГ, рассчитывалась по формуле [15] Рис. 2. Блок-схема установки для ультразвукового воздействия на светодиод: 1 – ультразвуковой генератор; 2 – частотомер; 3 и 4 – милливольтметры переменного тока; R – измерительное сопротивление (1,5 кОм); Q – пьезокварц; СД – светодиод P = σ0·fr·Vq/Eq, где σ0 = 2,8·106 Па; fr – резонансная частота, 64 и 106 кГц; Vq – объём пьезокварца, 7,056·10–7 и 5,427·10–7 м3, соответственно; Eq – модуль Юнга пьезокварца, 6,9·1010 Па. Для применявшихся пьезокварцев (fr = 64 и 106 кГц) Р = 1,83 и 2,33 Вт соответственно. При увеличении длительности УЗВ происходит заметный спад напряжения на СД при фиксированной плотности тока, что может быть связано с локальным нагревом областей МКГ, из-за проявление внутренних электрических полей структуры. При этом частота УЗ определяет уровень описанного эффекта с учётом резонансных пьезосвойств МКГ и степени рассогласования периодов кристаллических решёток подложек и выращенных на них эпитаксиальных слоёв. Измерялись, например, усреднённые по группе испытательных СД характеристики, такие как ВАХ и зависимость потока излучения СД от тока (рис. 3 и 4). Интерпретация полученных рабочих характеристик СД основывается на предположении, что если рассматривать МКГ как параллельное соединение площадок с различным содержанием атомов In в активном слое – «нано-СД», то различия в механических свойствах (жёсткость), степени проявления пьезоэлектрического поля и спонтанной поляризации областей с разным содержанием атомов In будут определять концентрацию шунтирующих элементов среди них и, следовательно, изменение доли излучения «нано-СД» в интегральном потоке излучения СД. Полученные экспериментальные данные позволяют заключить следующее: «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 3. Усреднённые ВАХ светодиодов с AlGaInN многокомпонентной гетероструктурой и подложкой из Al2O3 (а) или SiC (б) после ультразвукового воздействия длительностью 0 (1); 1,5 (2); 3 (3); 4,5 (4); 6 (5) и 9 (6) ч Рис. 4. Зависимость интегрального потока излучения светодиодов с AlGaInN многокомпонентной гетероструктурой и подложкой из Al2 O3 (а) или SiC (б) (Фе) от прямого тока светодиода после ультразвукового воздействия длительностью 0 (1); 1,5 (2); 3 (3); 4,5 (4); 6 (5) и 9 (6) ч 1) При fr = 106 кГц для достижения одинаковых изменений всех характеристик СД требуется в 1,5–2 раза меньше времени, чем при fr = 64 кГц. Если обратиться к выражению для временной зависимости концентрации смещённых атомов при УЗВ (ΔN (t)), приводимому ниже, можно заметить, что при этом ΔN (t) одинакова для любых атомов, индивидуальное поведение которых определяется пороговой энергией смещения атома из узла решётки (Ed). Указанное выражение имеет вид [16] ΔN (t ) = N o − N (t ) = N o × ⎡ ⎛ t ⎞⎤ × ⎢1 − exp ⎜ − ⎟ ⎥ , ⎝ τ⎠⎦ ⎣ где t – время; τ= 1 − a ⋅ N ⋅ ν ⋅ n ⋅V ⋅ w «эффективное время деградации»; N – концентрация несмещённых атомов; Nо= N(0); ν·n·V – число соуда15 рений носителей заряда с несмещёнными атомами в единицу времени, ν =2bf/l, b – характерный линейный размер кристалла, l – длина свободного пробега носителей заряда, f – частота УЗ колебаний; n – концентрация свободных носителей заряда; V – объём кристалла; w – вероятность смещения одного атома «горячими» носителями заряда; a – константа, учитывающая синусоидальный закон изменения пьезоэлектрического поля во времени (а < 1); ⎛ E ⎞ w = exp ⎜ − d ⎟ , ⎝ ΔE ⎠ ∆Е – энергия «горячих» носителей заряда. 2) При одинаковых условиях проведения УЗВ изменения всех рабочих характеристик СД с МКГ, выращенными на подложках из Al2O3, больше, чем у СД с МКГ, выращенными на подложках из SiC (рис. 4). По-видимому, эта разница обусловлена тем, что в МКГ на подложках из Al 2O 3 плотность дислокаций на 2–3 порядка выше, чем на подложках из SiC. Дислокации играют значительную роль при смещении атомов при УЗВ из-за разных степеней рассогласования постоянных кристаллических решёток подложек и выращенных на них эпитаксиальных слоёв (на Al2 O3 – около 16 %, а на SiC – около 4 %) *** По результатам работы нами рекомендуется при производстве СД использовать метод термокомпрессионной приварки, поскольку это улучшает рабочие характеристики СД сравнительно с методом УЗ сварки. Существует также необходимость нейтрализации воздействия пьезоэлектрического поля и спонтанной поляризации, служащих отличительными чертами нитридных МКГ и усиливающих воздействие на них внешних факторов, таких как ультразвук, температура и ток. Это усиление мало изучено, но существенно ухудшает рабочие характеристики СД при производстве и эксплуатации. В результате расчётов и компьютерного моделирования МКГ для голубых и зелёных СД с учётом более 30 основных параметров (ширина запрещённой зоны, показатель преломления, коэффици16 енты поглощения и теплопроводности, подвижность и время жизни носителей заряда, электронное сродство, коэффициенты Холла-Оже, количества и степени легирования квантовых ям и барьеров и др.) напряжённость внутреннего поля в МКГ достигает 105–106 В/см [17]. Работы по изучению этой проблемы будут продолжены. При этом один из способов её решения – выращивание МКГ в неполярном m-направлении (1100). Авторы выражают глубокую признательность и благодарность докт. физ.-мат. наук, проф. Е.К. Наими, докт. техн. наук, проф. В.П. Сушкову, канд. техн. наук С.Г. Никифорову и инж. М.В. Романову за помощь в проведении исследований и участие в обсуждении их результатов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Curtis, S. Efficiency gains boosts highpower LED performance // Compound Semiconductor. – 2005. – December. – P. 27–30. 2. Whitaker, T. Philips takes control of LED maker Lumileds Lighting // LEDs Magazine. – 2005. – October. – P.4. 3. Whitaker, T. Japan sets white LED targets as technology improves // Compound Semiconductor. – 2004. – October. – P. 20–23. 4. LEDs light up airfields // Optics&Laser Europe. – 2003. – October. – P.13. 5. Hatcher, M. Traditional Cree seeks next big thing // Compound Semiconductor. – 2006. – September. – P. 12. 6. Hatcher, M. Osram develops tiny thinGaN white LED // Compound Semiconductor. – 2005. – April. – P. 13. 7. iSupppli talks up backlights // Optics & Laser Europe. – 2006. – February. – P. 5. 8. Mills, A. From buoys to boats HB-LED for navigation // III-Vs Rev. – 2003. – November. – P. 34–35. 9. Whitaker, T. Dentistry boosts blue LED market // Compound Semiconductor. – 2003. – January-February. – P. 11. 10. Whitake, r T. Surgical lamp uses LEDs // Compound Semiconductor. –2003. – April. – P. 13. 11. Hatcher, M. Portable NDA analyzer to use GaN LEDs // Compound Semiconductor. –2006. – September. – P. 21. 12. Flinn, G. Bye lightbulb // Laser+Photonics. –2009. – № 1. – P. 8. 13. Zukauskas, A., et al. Light-emitting diodes: Progress in Solid-State Lighting // MRS Bulletin. – 2001 – October. – P. 764–769. 14. Whitaker, T. Nichia’s 249 lm/W LEDs mark tech shift // Compound Semiconductor. –2009. – March. – P. 5. 15. Тяпунина Н.А., Наими Е.К, Зиненкова Г. М. Действие ультразвука на кристаллы с дефектами. – М.: Изд. Моск. ун-та, 1999. – 240 с. 16. Маняхин Ф.И., Наими Е.К., Рабинович О.И., Сушков В.П. Динамически-ёмкостной метод измерения концентрации неподвижных зарядовых центров в полупроводниковых материалах типа АIIIВV, подвергаемых ультразвуковому воздействию // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2006. – Т. 72. – № 5. – С. 20–25. 17. Рабинович О.И. Моделирование электрических и оптических характеристик светоизлучающих диодов на основе многокомпонентных гетероструктур AlGaInN // Автореф. дис. … к-та физ.-мат. наук. – М.: ФГОУ ВПО «Московский институт стали и сплавов» (ГТУ), 2008. 24 с. Олег Игоревич Рабинович, канд. физ.-мат. наук (2008 г.). Окончил в 2005 г. ФГОУ ВПО «Московский институт стали и сплавов» (ГТУ) по специальности «Электроника и микроэлектроника». Старший преподаватель Института физико-химии материалов Национального исследовательского технологического университета «Московский институт стали и сплавов» Николай Валерьевич Романов, инженер. Окончил в 2004 г. ФГОУ ВПО «Московский институт стали и сплавов» (ГТУ) по специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника». Работает главным специалистом в Институте базового образования Национального исследовательского технологического университета «Московский институт стали и сплавов» Сергей Сергеевич Сизов, инженер. Окончил в 2006 г. ФГОУ ВПО «Московский институт стали и сплавов» (ГТУ) по специальности «Металловедение и термическая обработка цветных и драгоценных металлов». Работает главным специалистом в Институте базового образования Национального исследовательского технологического университета «Московский институт стали и сплавов» «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Опыт проектирования осветительных установок с тяжёлыми условиями среды и эксплуатации в них светильников фирмы i-VALO П. ЕВАНЖЕЛИСТА1, Ш. ЯКУБОВ Финско-Российская торговая палата, ООО «Тяжпромэлектропроект» В 2 0 0 9 г. и н ж е н е р ы О О О «Тяжпромэлектропроект» (г. Москва) выполнили проектирование светотехнической установки приёмного устройства для подачи шихтовых материалов на бункерную эстакаду печи ДП № 7 Новолипецкого металлургического комбината. На данном участке производится перевалка агломерата, окатышей и добавок из вагонов на конвейеры. Для таких зон перевалки сыпучих материалов характерны высокая пыльность среды (наличие в воздухе 4 мг/ м3 пыли и сажи), а также высокая температура (до + 40 градусов в некоторых зонах). В ходе светотехнического проектирования были рассмотрены 2 варианта проекта: со светильниками i-VALO 6211 и ЖСП 01-100-732. В обоих случаях были использованы натриевые лампы высокого давления NAV-T Super 4 Y 100 W (10700 лм). Необходимо было обеспечить минимальную освещённость 75 лк на рабочей поверхности (разряд и подразряд зрительной работы VIIIб согласно СНиП 23–05–95). При расчётах было принято, что коэффициент отражения поверхностей помещения был равен нулю. Выбор коэффициента запаса Кз перед началом проектирования заслуживает отдельного упоминания. СНиП 23–05–95 предусматривает для данной конструкции светильников (эксплуатационная группа 7) и условий запылённости Кз = 1,6 при двух чистках в год. У штата электриков элементарно не хватает времени на должную очистку светильников. Учитывая эту ситуацию, сами заказчики зачастую устанавливают в технических требованиях Кз, превышающий норму по СНиП. В данном случае, требование заказчика было установить Кз = 2. Данное значение широко используется и по инициативе самих проектировщиков при применении закрытых светильников обычной конструкции в помещениях с повышенной запылённостью. Этот коэффициент мы использовали при проектировании системы освещения со светильниками типа ЖСП. Многолетний опыт эксплуатации светильников i-VALO 6211 по данным изготовителя позволяет для данных условий использовать Кз = 1,25 (рис. 1). Согласно законам термодинамики, в закрытых световых приборах наблюдается эффект «дыхания», связанный с изменением давления воздуха, заключённого во внутреннем изолированном объёме светового прибора при включении и выключении приборов. В результате даже при незаметном дефекте уплотнения происходит всасывание загрязнённого воздуха во внутреннюю полость светильника. Наблюдается оседание пыли, волокон и коррозионных частиц на колбе лампы, отражателе, внутренней поверхности, защитном стекле, рассеивателе и контактных узлах патронов. В итоге свойства светильников быстро ухудшаются, в некоторых зонах металлургического производства осветительные приборы заменяются ежегодно, существенно увеличи- 1 Рис. 1. Светильник i-VALO 6211 / V3 11 E-mail: pavel.evangelista@i-valo.com «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 вая затраты на эксплуатацию системы освещения. С целью нейтрализации этого эффекта фирма i-VALO предложила использовать в конструкции световых приборов микрофильтр. Внутренний объём светильника таким образом сообщается со внешней средой через контролируемый канал и воздух, поступающий в светильник из рабочей среды, очищается фильтром от посторонних примесей. Стандартный микрофильтр способен удерживать частицы до 0,01 мкм (волокна целлюлозы, пыль, масляный дым). Двойной микрофильтр вдобавок к этому способен удерживать молекулы газа, препятствуя проникновению в светильник, например, ионов хлора или сульфат-ионов, вызывающих коррозию металла и вредящих балласту и лампе. Фильтры впервые были применены в светильниках фирмой GE Lighting. При конструировании светильников для высокого подвеса i-VALO, был использован кольцевой экран перед защитным стеклом. Кольцевой экран создаёт «подушку» разогретого воздуха и тем самым препятствует «доставке» пыли при конвекции и осаждению её на стекле светильника (рис. 2). Следующий пример является иллюстрацией ресурса работы светильника в сложных условиях. В течение 10 лет работы на коксовой печи у светильника не менялся фильтр, открывали его только для смены ламп. Однажды при ЧП и резком повышении температуры из-за аварийного выброса шлака светильник обгорел. Снаружи деформировался и оплавился рассеиватель, но когда светильник открыли, отражатель и компоненты были совершенное чисты (рис. 3), 17 Таблица Технико-экономическое сравнение вариантов ОУ Вариант А ЖСП 01–100–732 1. Количество светильников, шт. 2. Цена, руб. 3. Цена лампы, руб. 4. Затраты, руб. (гр. 1 × (гр. 2+гр. 3)) Вариант Б i-VALO 6211 42 24 2 830 8 413 586 586 143 472 215 976 Баланс покупки, руб. -72 504 5. Потребляемая мощность светильника с ПРА, Втч 115 115 6. Число часов работы в год, ч 8 000 8 000 7. Наработка системы в год, кВт·ч (гр.1 х гр.5 x гр. 6) 38 640 22 080 2 2 9. Расходы за 10 лет, руб. (гр. 6 × гр. 7 × 10 лет) 772 800 441 600 10. Стоимость монтажа и кабельнопроводниковой продукции на 1 светильник, руб. 1 682 1 682 11. Стоимость монтажа и кабельнопроводниковой продукции, всего, руб. (гр.1 х гр.10) 70 644 40 368 8. Цена электроэнергии, руб/кВт·ч 12.Трудозатраты на 2 чистки одного светильника в год, нормо-часы 2 (очистка рефлектора, внутренней и внешней поверхности защитного стекла) 0,5 (очистка только внешней поверхности защитного стекла) 13.Трудозатраты на 2 очистки одного светильника в год, руб. 400 100 14.Трудозатраты на очистку всех светильников за 10 лет, руб. (гр. 1 × гр. 10) 168 000 24 000 1 011 644 505 968 15.Всего затрат на эксплуатацию, руб. (гр.) Баланс эксплуатации, руб. 505 676 Выгода (Баланс эксплуатации – Баланс покупки), руб. Рис. 2. Иллюстрация эффекта «дыхания» и схема работы микрофильтра светильника i-VALO и это несмотря на тяжёлые условия эксплуатации. Снижение КПД светильников i-VALO после годовой эксплуатации 18 Баланс в сложных условиях по сравнению с КПД очищенных светильников составляет лишь 2 %, в то время как снижение КПД светильников с уплотнён- 433 172 ным замкнутым корпусом может составлять до 26 % в течение года [данные: статья «Из опыта эксплуатации светильников в промышленный осветительных установках» // Светотехника. – № 6.2008]. Эти значения указаны без учёта «старения» ламп. При дальнейшей эксплуатации светильников обычной конструкции более одного года КПД может снижаться до недопустимых значений. В нашем проекте стояла задача получить освещённость на трёх рабочих поверхностях эстакад около 100 лк. В результате получилось: i-VALO 6211 = 108, 111 и 102 лк; ЖСП 01100-732 = 101,100 и 97 лк, что в целом соответствует поставленной задаче (рис. 4). «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Решение задачи было достигнуто с помощью 42 светильников ЖСП и только 24 светильников i-VALO 6211! При размещении приборов была использована несимметричность КСС в продольной и поперечной плоскостях. Это дало возможность повернуть светильники таким образом, чтобы световое «пятно» было максимально широким и они освещали поверхность эстакады более равномерно. В случае круглосимметричных светильников поворот их ничего не даёт. Кроме того, начальный КПД светильников различен и у i-VALO выше (75,5 % по сравнению с 70 %). Необходимо отметить, что цена i-VALO 6211 (8 414 руб.) ощутимо выше, чем светильника ЖСП 01-100732 (2 831 руб.). Для оценки окупаемости затрат был проведён ТЭР. Расчёт показывает, что при приобретении светильников i-VALO 6211 (вариант Б), первоначальные затраты выше на 72 504 руб. затрат по варианту А. Зато последующая эксплуатация системы i-VALO в течение 2 лет полностью окупит эти затраты, а за более длительный срок (10 лет) принесёт прибыль в 433 172 руб. Немаловажным обстоятельством является то, что, как показывает многолетний опыт эксплуатации светильников, система i-VALO может работать без замены в течение 10 лет и более, в то время как другие светильники имеют меньший срок службы в этих условиях (1–5 лет). Переоборудование ОУ с меньшим ресурсом на новую, приведёт по крайней мере, к удвоению первоначальных затрат. Кроме того, благодаря микрофильтру лампы в светильниках i-VALO выходят из строя значительно реже, чем в других светильниках. Во время работы со светильниками i-VALO, мы обратили внимание на такие приятные технические «мелочи», используемые производителем, как полимерно-порошковое покрытие корпуса, электронный стартёр и закалённое защитное стекло. Изоляция крышки с защитным стеклом выполнена высококачественным силиконом, который не «каменеет» со временем. Очень важно и для проектировщиков и для заказчиков, что i-VALO предлагает различные варианты подвеса оборудования (угловые кронштейны, поворотные консоли, цепи и так далее), что иногда яв«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 3. На фото справа внутренняя поверхность светильника после работы в течение 10 лет на коксовой печи Рис. 4. Освещение приёмного устройства (показано с помощью фиктивных цветов) светильниками ЖСП (а) и i-VALO 6211 (б) ляется проблемой при подборе оборудования. Цех предприятия можно полностью оснастить оборудованием i-VALO, так как фирма производит полную серию светильников для тяжёлых условий. Особенно важно, что светильники i-VALO рассчитаны для высокого подвеса и работы в среде до +70 ºС без ухудшения ресурса. Данные среды часто встречаются в металлургии, химии, производстве строительных материалов, цемента. Таким образом можно сделать важный вывод о реальных преимуществах светильников i-VALO при работе в тяжёлых условиях среды. Особенно важно, что с увеличением срока службы ламп, происходящим непрерывно, преимущества конструкций i-VALO возрастают. На достоинства конструктивных решений светильников i-VALO было обращено внимание в книге проф. Ю.Б. Айзенберга «Основы конструи- рования световых приборов» (1996 г.) и в ряде статей в журнале «Светотехника» (№ 5.1991; № 1.1992). Павел Еванжелиста, советник по развитию ФинскоРоссийской торговой палаты Шамил Якубов, инженерпроектировщик ООО «Тяжпромэлектропроект» 19 Имитация и анализ работы системы смешанного освещения С. НЕОДЖИ, С. ПАЛ,, Б. РОЙ 1 Школа энергетических исследований и Электротехнический факультет Джадавпурского университета, Колката 2, Индия, и Электротехнический факультет Калькуттской технической школы, Колката, Индия Аннотация Использование светорегуляторов (темнителей), учитывающих уровень естественного освещения, хорошо известно в проектировании знергоэффективных систем освещения зданий. В настоящей статье анализируется работа автоматических светорегуляторов с фоторезисторным фотодатчиком с учётом базы данных по естественному освещению для Индии. Изучены рабочие характеристики одного из разрабатываемых светорегуляторов при его применении в одной из университетских аудиторий в Колкате (22,53 о СШ, 88,33 о ВД). Для оценки значений опорного напряжения светорегуляторов (поддерживающих требуемый средний уровень смешанного освещения в разных зонах рабочей поверхности) при разных уровнях естественного освещения светорегулятор имитировался с помощью подсистемы SIMULINK пакета MATLAB (с использованием некоторых экспериментальных данных). Результаты показали, что смешанная освещённость на рабочей поверхности может поддерживаться на заданном уровне с погрешностью не более ± 10 %. Ключевые слова: естественное освещение, условия Индии, светорегулятор, имитация. 1. Введение Динамичность качественных и количественных характеристик естественного освещения некоторых помещений требует применения в их смешанном освещении светорегуляторов, учитывающих уровень есте1 2 E-mail: bwnroy@gmail.com Сокращённый перевод с англ. А.В. Леонидова. Оригинал полностью опубликован в журнале Light & Engineering № 3. 2009. Список литературы (17 наименований) депонирован в редакции. Ранее – Калькутта. – Прим. ред. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 ственного освещения [1]. Функция светорегулятора состоит в изменении напряжения питания ламп в зависимости от текущего уровня естественного освещения – для поддержания требуемого уровня смешанного освещения. Снижение светового потока (темнение) системы искусственного освещения осуществляется путём сравнения выходного напряжения фотодатчика с предварительно установленным опорным напряжением. В больших помещениях уровни естественного освещения рабочей поверхности в разных зонах помещения различны, и поэтому для надлежащей работы расположенных в них светорегуляторов фотодатчики (фоторезисторы) последних должны устанавливаться на соответствующие различные опорные напряжения. Смешение естественного и искусственного освещения экономит электроэнергию и повышает комфортность жизни [2]. Системам регулирования естественного освещения посвящён ряд исследований. Об эффективном использовании централизованных систем управления смешанным освещением в зданиях сообщалось в [3]. Алгоритм имитации системы искусственного освещения, управляемой с помощью фотоэлемента, измеряющего уровень естественного освещения, который позволяет оценивать конечную экономию электроэнергии в освещении, был предложен в [4]. О потенциальной экономии электроэнергии системой освещения, управляемой по уровню естественного освещения, благодаря надлежащему расположению фотодатчиков, сообщалось в [5]. Возможность эффективного применения естественного освещения в офисных помещениях с использованием светорегулирования изучалась с помощью контурного графика коэффициента естественной освещённости [6]. Методы прогнозирования освещённости на рабочих поверхностях и управления естественным освещением за- теняющими устройствами, с использованием фотодатчиков, предложены в [7]. Использование базы данных по естественному освещению в управлении этим освещением и в экономии расхода электроэнергии на освещение рассматривалось в [8]. Об экономии электроэнергии в освещении с использованием высокочастотного питания источников света и балластных устройств повышенной эффективности вместо ЭмПРА, сообщалось в [9]. Cуществует ряд методов темнения ламп в системах смешанного освещения, таких как метод ШИМ, метод регулирующего преобразователя с изменяемой частотой [10, 11], регулирование постоянного напряжения в полумостовых схемах ЭПРА [12, 13] и т. д. В настоящей статье предпринята попытка прогнозирования опорных напряжений для разрабатываемых светорегуляторов при различных уровнях естественного освещения в соответствии с индийской базой данных по естественной освещённости, и работа светорегуляторов по поддержанию требуемых уровней освещения на рабочей поверхности анализируется с помощью подсистемы SIMULINK пакета MATLAB. Результаты данного исследования показали возможность использования указанной имитации для прогнозирования параметров светорегуляторов (темнителей) в помещениях в различных светоклиматических регионах и уровней смешанного освещения в любой точке рабочей поверхности помещений при разных условиях естественного освещения 2. Экспериментальная установка Для экспериментальных исследований была выбрана одна из действующих аудиторий на третьем этаже Электротехнического факультета Джадавпурского университета, Колката (22,53 о СШ, 88,33 о ВД). В аудитории размером 8×7×4 м с 10 окнами на двух сторонах 6 окон находились на северо-восточной стороне и 4 – на северо-западной. Поскольку преобладающие климатические условия в данной тропической зоне характеризуются высокими температурами, повышенной влажностью и обилием солнца круглый год, предпочтительна ориентация окон на север (во избежа21 Таблица 1 Измеренное распределение освещённости на рабочей поверхности во время эксперимента (май, 14:00) Зона естественного освещения достаточного недостаточного Точка измерения 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Освещённость, лк 448 335 276 240 203 171,1 261 220 173,6 151,8 133,3 112,2 Рис. 1. План помещения с расположением светильников и двумя зонами естественного освещения. L1, L2, L3 и L4 – светильник с двумя люминесцентными лампами; S1 и S2 – фотодатчик (фоторезистор) ние нагрева помещений прямым солнечным светом). Размеры окон – 1,05 (ширина) и 1,3 (высота) м. Высота рабочей поверхности от пола – 1,25 м (высота парт). Все стены и потолок – белые. Измеренные коэффициенты отражения стен и пола – приблизительно 0,7 и 0,2 соответственно. Для оценки коэффициента отражения поверхностей использовался люксметр, и вычислялись отношения отражённой и прямой освещённостей на данной поверхности [15]. Напротив указанных окон находились два здания: пятиэтажное в 5 м от северо-западной стороны и четырёхэтажное в 3 м от северо-восточной стороны. Присутствие двух соседних зданий перед окнами исследуемого помещения предотвращало попадание с этих направлений в помещение прямого солнечного и небесного света. Средневзвешенные по площади коэффициенты отражения стен 22 этих пяти- и четырёхэтажного зданий равнялись 0,42 и 0,43 соответственно. Таким образом, помещение имело только внешнее освещение отражённым от соседних зданий естественным светом. Во время эксперимента вертикальные освещённости на наружных плоскостях окон на северо-запад и северо-восток составляли 1,5 и 1,8 клк соответственно, тогда как аналогичные данные для юговосточного и юго-западного направлений равнялись 57 и 52 клк соответственно. При этом на освещённость на окнах влияло присутствие деревьев между ними и соседними зданиями. Распределение горизонтальной освещённости на рабочей поверхности измерялось несколько дней в разное время и затем строились контурные графики естественной освещённости. В соответствии с ними рабочая поверхность помещения делилась на две зоны: «зона достаточного есте- ственного освещения» (ЗДЕО), с минимальной естественной освещённостью в 250 лк с 10:00 до 16:00, и «зона недостаточного естественного освещения» (ЗНЕО), с естественными освещённостями менее 250 лк в это же время суток. В соответствии со стандартом Индии IS:3646 [16], освещённость в учебных помещениях должна поддерживаться на уровне не менее 300 лк. Поэтому наличие ЗДЕО обеспечивает возможность экономии энергии путём темнения ламп с учётом текущего уровня естественного освещения. На рис. 1 изображены ЗДЕО и ЗНЕО данного помещения и два соседних здания. Освещённости на рабочей поверхности помещения измерялись люксметром, откалиброванным в лаборатории ERTL, Колката, подконтрольной Национальной физической лаборатории, Нью-Дели. В табл. 1 приведены экспериментальные майские данные по естественной освещённости в точках 1–6 ЗДЕО и в точках 7–12 ЗНЕО (см. также рис. 2). Система искусственного освещения содержит четыре светильника – L1, L2, L3, L4 (рис. 1) – с двумя ЛЛ мощностью 40 Вт, типа FTL/6500 K, с ЭПРА. Два фотодатчика (S1, S2), обращённых к рабочей поверхности, находились в ЗДЕО ближе к окну на северо-запад на высоте 1,15 м от рабочей поверхности, регистрируя уровень смешанной освещённости на рабочей поверхности и посылая соответствующие сигналы управления светорегуляторам. Каждый светильник связан с каждым светорегулятором, расположенным в той или иной точке ЗДЕО (рис. 1). По результатам измерения распределения освещённости на рабочей поверхности была определена средняя освещённость на ней EAVG (250 лк) и коэффициент неравномерности распределения освещённости Emin/EAVG (72 %). Световой поток светильников L1 и L2 регулировался (светорегуляторами) в диапазоне от 10 до 100 % в соответствии «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Таблица 2 Временные зависимости прямой (вертикальной) и диффузной (горизонтальной) составляющих освещённости в Колкате согласно данным по естественному освещению в Индии для декабря при факторе мутности 9 Время суток Горизонтальная Север Северовосток Восток Юговосток Юг Югозапад Запад Северозапад Диффузная горизонтальная Прямая составляющая 10:00 16 00 00 12,5 22,5 19 04 00 00 25 12:00 25 00 00 00 18,5 26 18,5 00 00 30 14:00 16 00 00 00 04 19 22,5 12,5 00 25 16:00 1,5 00 00 00 00 2,5 4,5 04 1,5 11 Таблица 3 Экспериментальные и теоретические значения напряжения питания ламп при различных фазовых углах открытого состояния симистора α Напряжение питания ламп, В α, o 26,32 35,88 65,9 78,8 100,93 124,92 138,27 146,78 теоретическое экспериментальное 230 221 190 175 147 105 73 41 225,6 219,8 187,6 172,6 144,2 102,8 70,8 38,77 с изменениями естественной освещённости на рабочей поверхности, что поддерживало необходимый минимум освещённости в 300 лк. Для контроля за работой светорегуляторов непрерывно измерялся уровень смешанного освещения на рабочей поверхности. В табл. 2 приведены данные по естественному освещению в Индии в декабре [17] при факторе мутности 9, которые использовались для имитации распределения естественной и смешанной освещённостей на рабочей поверхности. Данные по естественному освещению при факторе мутности 9 соответствуют минимальному уровню естественного освещения и использовались для оценки максимума энергии, расходуемой на освещение. Полученные в результате имитации контурные графики освещённости на рабочей поверхности позволили определить в аудитории ЗДЕО и ЗНЕО. Сравнение контурных «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 2. Изменение естественной освещённости на рабочей поверхности в мае, 14:00 (см. табл. 1) графиков освещённости на рабочей поверхности проводилось как для естественного освещения, так и для смешанного в период с 10:00 до 16:00 (с интервалом в 1 ч) в период зимнего солнцестояния (рис. 3.1–3.5). При этом комната представлена прямоугольником ABCD, где окна расположены на сторонах AB и ВС (рис. 1). Следовательно, максимальные естественные освещённости имели место вблизи сторон AB и ВС и спадали к сторонам CD и AD. Из контурных графиков естественной освещённости на рабочей поверхности видны изменения распределения (неравномерного) этой освещённости от времени суток. А соответствующие графики смешанной освещённости (при использовании светорегуляторов) свидетельствуют о более равномерном распределении освещённости и обеспечении требуемых уровней освещения на рабочей поверхности всех рабочих мест. 3. Светорегулятор и его имитация в среде MATLAB Эффективность светорегулирования в системах естественного освещения зависит от типа фотодатчика и его экранирования [14]. В данном исследовании в качестве фотодатчика использовался фоторезистор (для преобразования смешанного светового потока в соответствующее выходное напряжение). Выходное напряжение фоторезистора измерялось параллельно с освещённостью на его поверхности. Измерения обнаружили приблизительно линейную связь между этими параметрами. Выходное напряжение фоторезистора калибровалось по этой освещённости. При этом каждый фотодатчик позволял следить за уровнем смешанного освещения в пределах некоторой угловой зоны, обеспечиваемой соответствующими характеристиками экранирования фоторезисторов. Применявшийся фото23 Рис. 3.1. Временные зависимости прямой (вертикальной) и диффузной (горизонтальной) составляющих освещённости в Колкате согласно данным по естественному освещению в Индии для декабря при факторе мутности 9 Рис. 3.2. Имитированные контурные графики естественной (а) и смешанной (б) освещённостей на рабочей поверхности, лк (декабрь, 10:00) Рис. 3.3. Имитированные контурные графики естественной (а) и смешанной (б) освещённостей на рабочей поверхности, лк (декабрь, 12:00) резистор не имел ни спектральной, ни «косинусной» коррекции. Световой поток ЛЛ, работавших с ЭПРА, измерялся при разном питающем на24 пряжении ламп методом интегрирующей сферы и оказался приблизительно прямо пропорциональным этому напряжению. Этот поток при измене- нии питающего напряжения от 80 до 230 В рос от 10 до 100 % (100 % соответствовали его номинальному значению 2450 лм). Работа светорегулятора при изменении естественной освещённости на рабочей поверхности имитировалась с использованием подсистемы SIMULINK пакета MATLAB. Целью этого было получение разных опорных напряжений, соответствующих разным уровням естественной освещённости. Светорегулятор был представлен некоторым числом функциональных блоков (рис. 4). Каждый блок имел отдельную специфическую функцию и управлялся соответствующим входным сигналом. В соответствии с выбранной схемой светорегулятора в качестве имитатора использовалась разработанная нами система регулирования с обратной связью. Опорное напряжение на выходе первого блока (рис. 4) Vr сравнивается с выходным напряжением блока фотодатчика. Сравнение производится блоком компаратора. Блок фотодатчика преобразует всё падающее на него смешанное излучение в напряжение Vs. Выходное напряжение компаратора усиливается блоком усилителя A1, выходное напряжение которого Vc подаётся на вход блока генератора импульсов. В соответствии с уровнем Vc генерируются импульсы различной продолжительности, которые подаются на триггер, управляющий симисторной схемой переключения. Различное (в соответствии с текущим значением Vc) время пребывания симистора в открытом состоянии и обеспечивает управление световым потоком ламп. Фазовый угол открытого состояния симистора меняется с изменением естественной освещённости и меняет этим напряжение питания ламп, что было подтверждено экспериментально и теоретически (табл. 3). При этом измеренные и расчётные значения напряжения питания ламп почти одинаковы. Схема питания ламп имитирует преобразование напряжение питания ламп в соответствующий световой поток. А так как световой поток ламп растёт с увеличением их числа, для имитации нескольких одновременно включённых ламп используется блок усилителя А2. Фотодатчик освещается отражаемым от рабочей поверхности смешанным излучением и частично непосредствен«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 но излучением окружающей среды, в результате чего возникает соответствующее напряжение Vs. Разность значений Vs и Vr (на выходе компаратора) служит входным напряжением генератора импульсов. Таким образом, выходное напряжение фоторезистора идентифицирует текущий уровень естественного освещения. Данная имитационная модель создана для теоретического исследования влияния переменного уровня естественной освещённости (блок естественной освещённости на рис. 4) на характеристики системы смешанного освещения. При теоретическом варьировании уровня естественного освещения Vr фиксировалось так, чтобы уровень смешанного освещения менялся согласно изменениям параметров данной системы регулирования. Тем самым по изменению естественной освещённости в модели можно предсказывать распределение смешанной освещённости. Рис. 3.4. Имитированные контурные графики естественной (а) и смешанной (б) освещённостей на рабочей поверхности, лк (декабрь, 14:00) 4. Рабочие характеристики светорегулятора Итак, описанный имитатор может использоваться как инструмент предсказания Vr и смешанной освещённости в различных зонах естественного освещения помещений. При этом: • Световой поток светильника зависит от установленного Vr. Поскольку уровни естественной освещённости в разных точках рабочей поверхности различны (рис. 2), необходимо использовать в помещении несколько светорегуляторов со своим установленным в них Vr,, со- Рис. 3.5. Имитированные контурные графики естественной (а) и смешанной (б) освещённостей на рабочей поверхности, лк (декабрь, 16:00) ответствующим зоне естественного освещения (в которой светорегулятор устанавливается), что позво- ляет поддерживать равномерность распределения и заданность уровня смешанного освещения в поме- Рис. 4. Блок-схема системы светорегулирования, разработанной для имитации в среде MATLAB «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 25 Рис. 6. Зависимости естественной и искусственной освещённостей на рабочей поверхности от опорного напряжения светорегулятора (Vr) при фиксированной смешанной освещённости на этой поверхности, приблизительно равной 300 лк Рис. 5. Зависимость установленного опорного напряжения светорегулятора (Vr) от естественной освещённости Рис. 8. Освещённость на рабочей поверхности помещения по рис. 1 при разных расстояниях от окна, ориентированного на северо-восток, в случае смешанного освещения Рис. 7. Зависимость смешанной освещённости от естественной освещённости на рабочей поверхности при двух опорных напряжениях светорегулятора (Vr) щении. В данном исследовании два светорегулятора с двумя фотодатчиками были установлены в двух разных ЗДЕО, ближе к окну на северозапад (рис. 1), соответственно, с двумя различными Vr. Оказалось, что освещённость сильно зависит от погодных условий, и поэтому Vr необходимо переустанавливать вслед за сезонными изменениями естественного освещения. Чем выше уровень последнего, тем ниже устанавливаемое Vr и наоборот. Vr светорегулятора в схеме установки по рис. 4 определялось путём имитации в среде MATLAB. Наглядный результат этой имитации показан на рис. 5. Различные сочетания уровней естественного и искусственного освещения и Vr, которые обеспечивают примерное постоянство смешанной освещённости на рабочей поверхности в 300 лк, приведены на рис. 6. 26 • При малых уровнях внутренней естественной освещённости на рабочей поверхности (до 80 лк) лампы системы искусственного освещения остаются включёнными со светорегулятором при номинальном напряжении питания, а при естественных освещённостях свыше 80 лк они темнятся согласно текущему уровню освещённости. При установленном Vr = 1,34 В и возрастании естественной освещённости с 80 до 300 лк смешанная освещённость на рабочей поверхности возрастает с 280,5 до 336,2 лк (при требуемой освещённости 300 лк). Если Vr возрастает с 1,34 до 1,36 В при фиксированных естественной освещённости и числе включённых ламп (две), то смешанная освещённость на рабочей поверхности возрастает с 274,4 до 325,2. Изменение смешанной освещённости, определённое в результате имитации при возрастании естественной освещённости с 80 до 300 лк отражено в табл. 4 и на рис. 7. Итак, надлежащим выбором Vr можно управлять смешанной освещённостью на рабочей поверхности. • На рис. 8 показано, как меняется естественная освещённость в направлении от окон на северо-восток до противоположной стены помещения «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Таблица 4 Имитированная смешанная освещённость на рабочей поверхности при разных уровнях естественной освещённости и опорного напряжения светорегулятора Vr Естественная освещенность, лк Смешанная освещенность, лк Vr =1,36 В Vr =1,34 В 80 274,4 280,5 100 277,2 287,4 120 279,4 290,7 140 281,1 293,7 160 284,8 296,6 180 288,8 300,3 200 293,9 305,5 220 298,8 313,1 240 303,9 320,5 260 310,4 327,7 280 318,9 331 300 325,2 336,2 (данные измерений). Для получения рекомендованной смешанной освещённости (300 лк) с относительной погрешностью – 6,5 ÷ + 12 % с помощью имитации рассчитывалось соответствующее изменение уровня искусственного освещения при фиксированном Vr (рис. 8). Изменением (теоретическим) числа ламп имитировалось изменение смешанной освещённости (рис. 9). Подобным образом можно определять число ламп, соответствующее достижению требуемого уровня смешанного освещения в ЗДЕО. Сабхасис Неоджи (Subhasis Neogi), доктор философии (ветроэнергетика). Лектор Школы энергетических исследований Джадавпурского университета, Колката, Индия «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 5. Заключение Работа светорегулятора системы искусственного освещения определяется установленным значением Vr. С помощью имитации системы светорегулирования было определено, что для получения рекомендуемой смешанной освещённости (300 лк) при изменении естественной освещённости со 100 до 300 лк устанавливаемое Vr необходимо соответственно снижать с 1,39 до 1,28 В. С помощью разработанного метода имитации можно находить распре- Саджой Пал (Sujoy Pal), инженерэлектрик. Лектор по электротехнике на Электротехническом факультете Калькуттской технической школы, Колката, Индия. Работает над диссертацией на степень доктора философии в Джадавпурском университете Рис. 9. Зависимость смешанной освещённости от естественной освещённости на рабочей поверхности при разном числе используемых ламп деление смешанной освещённости на рабочей поверхности при любых условиях естественного освещения. Метод позволяет поддерживать требуемый уровень освещённости на рабочей поверхности с относительной погрешностью – 6 ÷ +12 %. Смешанная освещённость определяется не только установленным Vr, но и числом используемых ламп. При данных условиях естественного освещения увеличение смешанной освещённости на рабочей поверхности может достигаться увеличением числа ламп. Повышение точности и надёжности определения характеристик освещения при использовании данного метода имитации может быть достигнуто коррекцией спектральной чувствительности фотоприёмника и приведением зависимости его чувствительности от угла падения света к косинусной. Бисванат Рой (Biswanath Roy), доктор философии (имитация и расчёт естественного освещения, Джадавпурский университет, Колката). Лектор по системам освещения на Электротехническом факультете Джадавпурского университета 27 Экономические и экологические недостатки дорожного освещения светильниками с плоским защитным стеклом П. ШВАРЦ 1 Компания TUNGSRAM-Schreder Lighting Equipment Co in Hungary, Будапешт, Венгрия Аннотация Нормативы и рекомендации по борьбе с паразитным световым излучением, как правило, требуют применения в светильниках плоских защитных стёкол (ЗС). Но оценивал ли ктонибудь экономические (за полный срок службы светильников) и все экологические издержки использования исключительно плоских ЗС? Эффективность применения плоских ЗС обычно ниже максимально достижимой с другими ЗС, предлагаемыми на рынке. Причём полный направленный вверх световой поток (включая его часть, обусловленную отражением от примыкающих к дороге зон) выше, чем при использовании оптимизированных низкопрофильных ЗС. Руководители муниципальных служб должны оценивать работу коммунального хозяйства на основе расходов за срок службы оборудования, которые включают расходы на утилизацию заменяемого оборудования, на монтаж, эксплуатацию и техобслуживание нового оборудования за его проектный срок службы и на утилизацию его в конце полезного срока службы. Была разработана модель, позволяющая легко рассчитывать все расходы в текущих ценах, по которой также может рассчитываться объём выбросов СO2 в окружающую среду. Эта модель была использована для сравнения вариантов дорожных осветительных установок (ОУ). В частности, она использовалась для прогноза расходов за срок службы и экологических издержек для четырёх вариантов ОУ: одной с плоскими, а остальных с оптимизированными низкопрофильными ЗС. Результаты показали, что оптимизированная ОУ с низкопрофильными ЗС превосходит аналог с плоскими ЗС не только по эффективности, энергос1 1 28 E-mail: schwarcz.p@schreder.hu Перевод с англ. Л.В. Ерашовой. бережению, сокращению объёма выбросов CO2 и расходам за срок службы ОУ, но и снижая полный направленный вверх световой поток. Ключевые слова: дорожное освещение, осветительные установки, светильники, защитные стёкла, плоские, гнутые (низкопрофильные), выпуклые Введение Несомненно, при правильном монтаже плоские защитные стёкла (ЗС) совершенно не создают прямого направленного вверх света. Но какова их экономическая и экологическая эффективность по сравнению с наиболее эффективными другими вариантами ЗС, присутствующими на рынке? Ниже резюмируются данные двух сравнительно недавно опубликованных работ по исследованиям и испытаниям на месте эксплуатации дорожных ОУ различной конструкции. Руководители муниципальных служб должны оценивать работу коммунального хозяйства на основе расходов за срок службы оборудования, которые включают расходы на утилизацию заменяемого оборудования, на монтаж, эксплуатацию и техобслуживание нового оборудования за его проектный срок службы и на утилизацию его в конце полезного срока службы. Была разработана модель, позволяющая легко рассчитывать все расходы в текущих ценах, по которой также может рассчитываться объём выбросов СO2 в окружающую среду. Оценка направленного вверх светового потока, обусловленного дорожным освещением Первая из упомянутых выше работ, [1], выявила факторы, влияющие на свечение неба. Учитывались не только непосредственно направленная вверх составляющая излучения светильников, но отражаемое вверх дорогой и примыкающими к дороге зонами падающее на них излучение светильников2. В качестве источников света использовались НЛВД и МГЛ мощностью от 50 до 400 Вт. Использовались ЗС следующих категорий: плоские, низкопрофильные, из прессованного стекла и сильно выпуклые. ЗС из прессованного стекла и низкопрофильные довольно одинаковы по форме и «выпирают» за поверхность плоских ЗС менее чем на 60 мм. Функционируют они почти столь же одинаково, и потому в рассматриваемой работе были отнесены к одной и той же категории (низкопрофильные ЗС). Рассматривались 4 наиболее распространённые схемы расположения светильников. Однорядное расположение с освещением двух полос движения, однорядное с освещением трёх полос движения, шахматное с освещением двух полос движения и двурядное с освещением трёх полос движения. Вначале эти расположения оптимизировались по типам светильников и уровням мощности, а затем – по критерию «максимум фотометрической эффективности». Фотометрическая эффективность выражает способность оптической системы светильника создавать максимальную яркость дорожного покрытия при минимальном световом потоке лампы (ламп) светильника. Средний полный направленный вверх световой поток ОУ (TUF) рассчитывался для каждой из наиболее оптимизированных ОУ путём суммирования непосредственно направляемой вверх доли светового потока ОУ (Фdirect) и долей светового потока ОУ, отражаемых вверх дорогой (Фroadway) и примыкающими к ней зонами (Фsurround). Как видно из рис. 1, прилегающие к дороге зоны могут существенно влиять на TUF, особенно в случае асфальтовых дорог. Травяные обочины могут более чем наполовину снижать отражаемый световой поток 2 Некоторая часть светового потока светильников падает на прилегающую к дороге зону, обеспечивая безопасность пешеходов, выявляя потенциальные опасности на обочинах дороги и создавая психологический комфорт (приятное окружение). Эти примыкающие зоны часто бывают бетонными, травяными или другими растительными. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 1. Сравнение средних полных направленных вверх световых потоков ОУ (TUF) в случае дорог с асфальтовым и бетонным покрытиями с примыкающими к ним серыми или травяными зонами ОУ. Также, если касаться только дороги, асфальтовое покрытие отражает свет вдвое хуже бетонного. При этом во всех случаях использование поглощающего материала, вроде травы, по обочинам значительно снижает направленный вверх световой поток, и это не зависит от типа используемых светильников. Рис. 2 показывает, какая из категорий ЗС для эксплуатации лучшая, а также TUF (в отн. ед.) и фотометрическую эффективность, соответствующие тем или иным категориям ЗС. Что касается рабочих характеристик ЗС, то низкопрофильное ЗС обеспечивает пониженный TUF и наилучшую фотометрическую эффективность. Плоское ЗС может обеспечивать почти такой же TUF, что и низкопрофильное, но требует больших энергозатрат, чем даже в случае выпуклого ЗС. При этом в работе [1], по существу, сделаны следующие выводы: • У низкопрофильных и выпуклых ЗС общая фотометрическая эффективность наилучшая, но низкопрофильным ЗС дополнительно соответствует пониженный TUF. • За редчайшими исключениями, ЗС, которые эффективны по яркости дорожной поверхности, обеспечивают пониженный TUF. Соответствующая корреляция в той или иной мере квазилинейна. Минимизация отношения средней освещённости на дорожной поверхности к её средней яркости есть решение, обеспечивающее снижение TUF. Полевое испытание на энергоэффективность дорожной осветительной установки со светильниками с плоским защитным стеклом П. Соардо [2] проведено испытание реальной дорожной ОУ в месте «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис 2. Соотношение между относительными полным направленным вверх световым потоком ОУ (TUF) [значение 1,0 соответствует среднему TUF] и фотометрической эффективностью ОУ (PhE) в случае дорог с асфальтовым покрытием с примыкающими к ним серыми (1) или травяными (2) зонами для ОУ с плоским, низкопрофильным и выпуклым защитным стеклом (ЗС) светильников эксплуатации. Сравнивались три типа светильников с плоским ЗС с одним типом светильника с низкопрофильным ЗС; при этом шаг между светильниками был одинаков. Это исследование показало, что светильник с низкопрофильным ЗС значительно уменьшают стоимость монтажа и энергопотребление (до 32 %) при фиксированном шаге между светильниками (возрастает яркость дорожной поверхности) или позволяют увеличивать (на 27 %) шаг между светильниками, не нарушая, однако, соответствующих норм освещения. Более того, при использовании светильников с низкопрофильным ЗС средняя освещённость на дороге на 13–17 % выше при той же её средней яркости. Это соответствует пониженному отражению света дорожной поверхностью. (При этом, полагая коэффициент рассеянного отражения равным 10–12 %, имеем долю отражаемого вверх светового потока на 1,3–2 % ниже, чем для светильников с плоским ЗС, что может компенсировать наличие у светильников с низкопрофильным ЗС небольшой (1–2 %) непосредственно направленной вверх доли их светового потока.) Экономические и экологические недостатки использования плоских защитных стёкол в светильниках для дорожного освещения Авторы обеих рассматриваемых работ, [1, 2], сходятся на том, что хорошо спроектированное дорожное освещение светильниками с высокоэффективным низкопрофильным ЗС обусловливает меньший направленный вверх световой поток, чем светильниками с плоским ЗС, причём при явно меньшем световом потоке светильников и, соответственно, меньшем энергопотреблении. Использовать соответствующую повышенную энергоэффективность можно двояко: либо, не меняя шага между светильниками, снижать их световой поток с помощью интеллектуального светорегулирования, либо, не меняя светового потока источников света, увеличивать указанный шаг, но не нарушая норм освещения. Таблица характеризует испытанные П. Соардо 4 варианта ОУ: 1) базовая ОУ со светильниками с плоским ЗС; 2) ОУ со светильниками с низкопрофильным ЗС, с шагом между све29 Таблица Данные полевых испытаний П. Соардо [2], использованные автором этих строк для расчёта соответствующих расходов за срок службы ОУ Оптимизация осветительной установки (ОУ) Однорядная ОУ; источник света НЛВД 250 Вт; асфальт C2007 ОУ Защитное стекло Шаг между светильниками, м Высота/ угол наклона, м/° Расчётные фотометрические величины Вылет светильника, м Яркость дорожной поверхности, кд/ м2 Коэффициенты общей равномерности и равномерности продольного распределения яркости U0 Ul Показатель блёскости TI, % Плоское 37 2,20 0,78 0,74 7,6 Низкопрофильное 37 2,78 0,73 0,73 10,3 2,00 0,73 0,73 10,3 2,04 0,71 0,60 13,3 37 (световой поток снижен на 28 %) 10/0 43 0 Рис. 3. Расходы на различные ОУ за их срок службы. Обращает внимание, что входные данные (экономические) для ОУ с плоским ЗС светильников и шаге между светильниками 37 м (1) и для ОУ с низкопрофильным ЗС светильников и шаге между светильниками 37 м (2) одинаковы, и поэтому одинаковы их расчётные экономические показатели, хотя последняя ОУ обеспечивает более высокие уровни яркости дорог. Если провести оптимизацию последней ОУ путём снижения светового потока (3) или увеличения (до 43 м) шага между светильниками (4) расходы наверняка снизятся тильниками, как и в первом варианте, 37 м, и тем же полным световым потоком; 3) ОУ со светильниками с низкопрофильным ЗС, с шагом между светильниками, как и в первом варианте, но с пониженным световым потоком; 4) ОУ со светильниками с низкопрофильным ЗС и оптимизированным шагом между светильниками (43 м). Для оценки экономичности этих ОУ может использоваться некоторая модель для расчёта расходов за их срок службы. Учитывались стоимости монтажа и техобслуживания светильников и опор на 1 км дороги, но без учёта стоимости прокладки кабелей. Тариф на электроэнергию принимался 30 равным €0,1/кВт·ч, и были рассчитаны текущие значения всех расходных статей. Как срок службы светильников, так и расчётный временной интервал, принимались равными 25 г. Для упрощения автор считал фиксированными уровень инфляции и дисконтированную стоимость. На рис. 3 представлены результаты этого расчёта. Они одинаковы для ОУ с плоскими ЗС светильников и для неоптимизированной ОУ с низкопрофильными ЗС светильников, так как в обоих случаях исходные данные одинаковы. ОУ с низкопрофильным ЗС светильников и пониженным световым потоком требует немного больших капиталь- ных вложений из-за дополнительных затрат на систему светорегулирования (понижения светового потока), но экономит €15 тыс./км за 25 лет технического ресурса ОУ (по сравнению с ОУ с плоским ЗСЧ светильников) благодаря меньшему энергопотреблению. Вариант ОУ с низкопрофильными ЗС светильников и оптимизированным (увеличенным) шагом между светильниками требует меньших капитальных вложений из-за меньшего числа светильников и опор на километр дороги при почти таких же расходах за срок службы как в указанном варианте с пониженным световым потоком. Важно помнить, что в отношении полного направленного вверх светового потока оптимизированные ОУ с низкопрофильным ЗС светильников не хуже ОУ с плоскими ЗС светильников. Следует также коснуться экологического аспекта. Полное энергопотребление на километр дороги в случае ОУ с плоскими ЗС за 25 лет составит 760 МВт·ч против 600 МВт·ч для оптимизированных ОУ с низкопрофильным ЗС светильников. Если электроэнергия генерируется газовой электростанцией, то разница объёмов выбросов CO2 составит 50 т/км/25 лет в пользу оптимизированной ОУ с низкопрофильным ЗС светильников. Если учесть, насколько ОУ с плоским ЗС светильников снижает видимость неба из-за вызываемых ими дополнительных выбросов CO2 и других связанных с этим загрязнений (например, пыли), то трудно оправдать запрет на оптимизированные ОУ с низкопрофильным ЗС светильников, объявленный под флагом защиты окружающей среды. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Заключение Выше показано, что исключительное применение светильников с плоскими ЗС не всегда оптимально для уменьшения направленного вверх светового потока. Кроме того, некоторые оптимизированные ОУ с низкопрофильным ЗС светильников требуют меньших расходов за срок службы и снижают объём выбросов CO2. Тем не менее, замена очень старых дорожных ОУ на новые улучшит качество освещения и сократит энергозатраты при любых типах светильников. Поэтому любой закон или стандарт, требующий модернизации дорожного освещения, поможет нам также в улучшении качества освещения и защите окружающей среды. Использование только плоских ЗС – это лёгкость контроля светового загрязнения. Однако тем ответственным лицам, которые этим воспользуются, придётся столкнуться с более высокими капитальными и эксплуатационными расходами и с более значительным влиянием на окружающую среду, чем при использовании лучших альтернативных вариантов дорожного освещения. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Gillet, M., Laport, J.-F. Meta Analysis of Upward Flux from Functional Roadway Lighting Installations // Proc. 25 th Sess. CIE, 25.06–2.07.2003, San Diego, USA. – CIE 152:2003 (CD-ROM). 2. Soardo, P. Contenimento della luminanza artificiale del cielo3 // LUCE. –. 2008 – № 1. – Р. 46–53. 3 Limitation of the artificial luminance of the sky Петер Шварц (Péter Schwarcz), магистр по электротехнике (1984, Будапештский университет техники и экономики). Научный директор компании TUNGSRAM-Schreder Lighting Equipment Co in Hungary. Вицепрезидент Венгерского светотехнического общества «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 ÊÎÍÔÅÐÅÍÖÈß EEDAL`09 16–18 июня 2009 г. в Берлине состоялась 5-я Международная конференция EEDAL`09 «Энергоэффективность бытового оборудования и освещения»1. Конференция была организована Немецким энергетическим агентством и проходила при поддержке Министерства экономики и технологии Германии и Объединённого исследовательского центра Еврокомиссии в сотрудничестве с Международным энергетическим агентством и Организацией Объединенных Наций. На конференции в рамках отдельных сессий рассматривался широкий спектр вопросов, связанных с энергопотреблением: отопление, кондиционирование, вентиляция, нагрев воды, стирка, приготовление пищи, телевидение и компьютеры, освещение, а также связанные с ними вопросы маркировки и стандартизации. Отдельно обсуждалось состояние дел в развивающихся странах. Много внимания было уделено рассмотрению вопросов политики повышения энергоэффективности жилых зданий. Три отдельных заседания были посвящены светотехническим проблемам. Наибольшее внимание в ряде докладов было обращено на расширение использования компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Были представлены аналитические обзоры состояния рынка КЛЛ в США, Японии, КНР, Европе и России. Важный акцент был сделан на вопросе утилизации КЛЛ в жилых зданиях. Три доклада были сделаны представителями из России при поддержке Программы развития ООН (ПРООН) в России. Среди российских специалистов, впервые принявших участие в конференции, были Г.А. Смага (АНО «РУСДЕМЭнергоэффект»), Ю.Б. Айзенберг (ООО «ВНИСИ») и А.С. Шевченко (СМК «Энергопроект-НН»). Первый доклад, «Трансформация рынка для продвижения энергоэффективного освещения в России», был подготовлен проф. Ю.Б. Айзенбергом и А.С. Шевченко совместно с проф. Жоржем Циссисом (Университет Тулузы, Франция) и представлен последним. В докладе был представлен новый проект Глобального экологического фонда (ГЭФ), ПРООН и Минэнерго России по продвижению 1 EEDAL – Energy Efficiency in Domestic Appliances and Lighting энергоэффективного светотехнического оборудования и технологий на российском рынке. Второй доклад, об энергосберегающем эксперименте в ряде жилых домов Москвы с переходом от ламп накаливания на КЛЛ, был сделан проф. Ю.Б. Айзенбергом. Доклады вызвали интерес и ряд вопросов. Ещё один доклад, представленный российскими специалистами и ПРООН на берлинской конференции, отметил работу по внедрению в России маркировки и стандартов по энергоэффективности. Данная работа ведётся в рамках ещё одного крупного проекта ПРООН/ГЭФ в сотрудничестве с Федеральным агентством по науке и инновациям России, «Стандарты и маркировка для продвижения энергоэффективности в России». Нужно отметить, что при подготовке этого проекта в 2007– 2008 гг. большое значение для разработчиков имели материалы и международный опыт, ознакомиться с которыми нам помогла предыдущая конференция, EEDAL`06, проходившая в Лондоне. Оба проекта ПРООН/ГЭФ, представленные на конференции, реализуются в рамках Программы ГЭФ «Энергоэффективность в России» и направлены на поддержку активных усилий Правительства России по снижению энергоёмкости российской экономики. В конференции приняли участие 300 специалистов из 24 стран, было представлено более 130 научных статей и докладов. Конференция позволила участникам ознакомиться с передовым мировым опытом и технологиями в области энергосбережения, обменяться мнениями по практическим вопросам повышения энергоэффективности, наладить контакты с коллегами. Участие российских специалистов в подобных международных практических конференциях особенно своевременно в контексте современных задач по разработке политики и мер повышения энергоэффективности российской экономики. 6-я Международная конференция EEDAL состоится в 2011 г. в Копенгагене. Н.Е. Олофинская, экономист, Департамент охраны окружающей среды ПРООН в России А.С. Шевченко, инж., СМК «Энергопроект-НН» 31 Моделирование цветового обличья остекления зданий при естественном освещении М. НАВВАБ 1 Мичиганский университет, Энн-Арбор, Мичиган, США Аннотация При генерации проектных идей и оценке внешнего и внутреннего цветовых обличий зданий при разных характеристиках естественного освещения архитекторы и проектировщики освещения часто пользуются реальными материалами (в данном случае, образцами стекла). В статье сообщаются результаты компьютерных имитации и моделирования цветового обличья остекления зданий с использованием (в качестве входных данных) измеренных спектральных характеристик выбранных покрытий стекла. Эти результаты соответствуют разным условиям виденья остекления при освещении реальными и имитированными небосводами и улучшат основы принятия соответствующих проектных решений и критерии качества в новом методе оценки и отбора систем остекления. Ключевые слова: имитация, моделирование, естественное освещение, остекление, здание, цветовое обличье, Radiance, 3 ds Max 1 1. Введение Большие успехи в теории вычислительных систем и алгоритмов визуального воспроизведения вместе с последними экспериментальными данными в области зрения позволяют архитекторам и проектировщикам освещения имитировать и визуализировать свои проекты при максимально реалистичной окружающей обстановке или получать реалистичное обличье архитектурных элементов типа остекления зданий. Благодаря ряду компьютерных исследований на конкретных примерах стало 1 32 По материалам доклада на 4-й Балканской светотехнической конференции Balkan Light, 7-9 октября 2008 г., Любляна. E-mail: moji@umich.edu Перевод с англ. А.В. Леонидова. ясно, что физически точная имитация – не одно и то же, что зрительно реалистичная архитектурная сцена при разных условиях естественного освещения [1–5]. Решения типичных открытых и (или) закрытых пространств, создаваемые архитекторами и светотехниками, в ходе проектирования меняются. Как правило, каждое проектное решение должно рассматриваться с учётом вариантов материалов оболочки здания, дневных и ночных условий естественного освещения, вариантов цветов поверхностей и др. И каждому случаю соответствует множество входных данных, влияющих на работу зрительной системы, в число которых не входят, однако, оптическая фильтрация и рассеяние света в глазу. Сочетание фотореализма с физически точной имитацией требует специальных алгоритмов использования для визуализации данных спектральных измерений. Цель – создание изображения сцены, обеспечивающего такую зрительную стимуляцию, что глаз воспринимает сцену такой, какой она выглядит при реальном освещении с соответствующими спектральными характеристиками (или несколько «масштабированно») [6]. Физически адекватные алгоритмы визуализации данных очень востребованы архитекторами и светотехниками, но весьма времяёмки. Кроме того, текущие возможности компьютерных мониторов точно отображать расчётные изображения не гарантируют должного спектрального стимулирования зрительной системы. Фотореалистичная визуализация весьма востребована рекламной индустрией и обеспечивается всевозрастающим интерактивным вычислительным ресурсом. В ней всё больше и больше заинтересовано стекольное производство. Желательно, чтобы получаемое изображение остекления не походило на фотоизображение стекла как промышленного изделия, ибо, например, уже на этапе эскизного проектирования изображение здания (включая остекление) должно точно соответствовать его окончательному виду. Цель – создать проектный метод оценки и выбора типов стекла для зданий без «привязки» к реальным образцам стекла. В этом случае изображение стекла должно быть весьма правдоподобным и восприниматься тождественным реальному виду. Но создание аналогичных зрительных ощущений необязательно, хотя и им должны быть присущи специальные, временные и колориметрические характеристики. Последний обзор по программному обеспечению визуализации показал, что основные усилия направлены на использование 64-битовых систем. Программные продукты (ПП) компьютерной графики, наиболее часто используемые в архитектуре и промышленности, вне зависимости от их стоимости и ценовой доступности для индивидуальных потребителей (обеспечивая им возможности визуализации при необходимой производительности) – Radiance и Form Z Render Zone фирмы Autodesk System, 3 ds Max Design 2009 фирмы Autodesk, Navis Works Simulate 2009 фирмы Info Matrix software international, а также Pianesi 5, Modo 302, NuGraf и Poly Trans фирмы Okino сomputer grafic. Эти ПП названы в произвольном порядке без учёта их достоинств и недостатков, и каждый из них позволяет получать реалистичные видимые изображения, помогающие в принятии проектных решений. Однако детальный или углублённый обзоры уникальных возможностей этих ПП выходят за рамки данной статьи [7]. 2. Методология Данная статья касается различий в критериях точных и фотореалистичных изображений, пригодных для использования в проектировании архитектурного и естественного освещения. Для имитации внешнего и внутреннего видов зданий при дневных и ночных условиях естественного освещения нами использовались ПП Radiance и 3 ds Max Design 2009. Измерялись спектральные коэффициенты пропускания и отражения остекления зданий и белого эталонного образца как при освещении реальным «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 небом, так и при регулируемом смешанном освещении (в лабораторных условиях) одновременно пасмурным небом и ксеноновой лампой. Для получения нужных цветности излучения источников света (ИС) и спектрального отражения белого эталонного образца использовались стандарты МКО [8]. Для имитации остекления использовались существующие функции ПП Radiance в сочетании с графическими возможностями ПП 3 ds Max. При этом учитывались тип стекла, оптические характеристики материала поверхностей, фотометрические и радиометрические характеристики пропускания. Измеренные спектральные характеристики сортировались и использовались как входные данные в каком-либо используемом алгоритме для получения наилучшего приближения к цветовым характеристикам каждого образца стекла в системе RGB. Расчётные координаты R, G и B затем использовались в качестве входных данных в ПП для создания изображения объектов. Преобразования из RGB в спектры и из спектров в RGB были главным звеном в приведении бесчисленных спектров в соответствие с задаваемыми цветами в системе RGB, определёнными в программе. Система RGB определялась стандартными функциями сложения системы XYZ. (Матрица преобразования системы XYZ в систему RGB описана в многочисленных источниках [4, 9, 10].) Динамический диапазон этих функций сложения намного шире диапазона длин волн 360– 780 нм, выдаваемого системой визуализации компьютера. Использование белого эталонного образца при спектральных измерениях обеспечивает точное цветовое согласование с системой RGB. Удачными были попытки применения спектральных измерений для согласования совмещённого цвета систем остекления в случае освещения реальным небом. Использование спектрального сканирования, спектрорадиометра фирмы Ocean Optics и спектрофотометров, обеспечивало одновременность измерения коэффициентов отражения и пропускания стекла [11]. В последнее время для повышения точности моделирования рекомендуется использование так называемого N-шагового алгоритма. N-шаговая визуализация, рекомендованная в статье [4], осуществлялась «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 1. Внешний вид образцов стеклопакетов с различными покрытиями и стеклянными подложками под реальным небом Рис. 2. Отражённые изображения солнца на стеклопакетах с покрытием с низкой излучательной способностью и «куртинной» стене нами при N = 3. Использование этого алгоритма требует разнесения измеренных спектральных характеристик по трём поддиапазонам длин волн одинаковой ширины: 380–510 нм, 515–645 нм и 650–780 нм. С помощью методики по п. 2.2 вычислялись средние RGB-цвета для каждого из этих поддиапазонов волн, которые использовались затем в качестве соответствующего цветового дескриптора. Выходные изображения, даваемые ПП Radiance, визуализировались в разных участках видимого спектра. Затем изображения объединялись в стандартное трёхканальное RGBизображение, как при создании изображений с высоким динамическим диапазоном характеристик. 2.1. Преобразование спектральных данных в цвета в системе RGB Приведённые ниже методы преобразования спектров в RGB-цвета заимствованы и скрупулёзно следуют рекомендациям статьи [4]. Для рассматриваемой нами стеклянной поверхности со спектральным коэффициентом отражения ρ (λ) её XYZ-цвет может определяться с использованием функций сложения x(λ), y(λ), и z(λ), принятых МКО в 1931 г., по выражениям (1) – (3) [10]: X = k ∫ρ (λ) x (λ) d λ, Y = k ∫ρ (λ) y (λ) dλ, Z = k ∫ρ (λ)) z (λ) dλ. Координаты X, Y, Z затем с помощью матрицы преобразования T (матрица 3×3) преобразуются в координаты R, G, B [2–4]. Для получения этой матрицы используются встроенные основные цвета ПП Radiance. Преобразование осуществляется умножением X, Y, Z на матрицу T. Получаемые в результате этого координаты R, G, B используются как цветовой дескриптор в файле материалов ПП Radiance [12]. Этот же подход используется для кодирования цвета излучения ИС и координат цветности x, y в системе XYZ: x = X / (X + Y + Z), y = Y / (X + Y + Z). 2.2. Требования к компьютерной имитации Для получения точных и непротиворечивых результатов необходимо удерживать значения входных данных в границах соответствия реально воз33 Рис. 3. Измеренные спектральные коэффициенты пропускания, τ (λ), и отражения, ρ (λ), выбранных систем остекления можному состоянию земной атмосферы. При определении влияния на размер и яркость солнечных диска и короны при данном положении солнца в качестве основных переменных используют мутность и влажность атмосферы [12–15]. Совершенно необходимы чёткая определённость этих показателей с учётом пределов каждой входной переменой и знание возможного диапазона предварительно вычисленных уровней освещённости и яркости при данном типе неба. (Поскольку в некоторых случаях проектирования естественного освещения необходима точная имитация уровней яркости участка неба вблизи диска солнца, который (участок) используется как фон изображения, а не изображение остекления здания и несущей части «куртинной» стены.) На рис. 1 показаны отражённые изображения некоторого реального неба на образцах остекления, использованных нами в наружных спектральных измерениях, а на рис. 2 – отражённые солнечные изображения на остеклении и «куртинной» стене, которые ещё не имитировались с помощью компьютера. 2.3. Моделирование остекления с помощью программного продукта Radiance Основные характеристики систем остекления – коэффициенты отраже34 ния и пропускания. Очевидно, что стекло с нанесённым покрытием имеет разные коэффициенты отражения фронтальной и тыльной сторон. Отражение и пропускание диффузной и зеркальной компонент фриттованного или полупрозрачного остеклений различны и фактически не могут моделироваться в некоторых программных средах. В компьютерной графике и при визуализации изображений основная колориметрическая система – RGB. Программное обеспечение визуализации самостоятельно определяет значения координат цветности в системе RGB. Программы имитации обычно содержат некоторые системы цветового усреднения в системе RGB (включая ПП Radiance), тогда как ИС имеют широкие спектры излучения. Поэтому использование усредненых входных цветов в системе RGB могло влиять на точность цветовых характеристик имитированных сцен. Стекло – материал, часто используемый для имитации остекления, так как его входные данные для ПП Radiance могут браться из программы Optics 5, которая хранит Международную базу данных по остеклению и, кроме того, позволяет пользователю вводить данные измерений спектральных характеристик остекления. Входные данные – спектрозональные коэффициенты пропускания τr, τg, τb. В алгоритме вычисления характеристик стекломатериалов, зависящих от углов падения света, используется показатель преломления, который может рассматриваться как дополнительная независимая переменная во входных данных стекла для расчёта искомых характеристик последнего. Для вычисления значений нормальных коэффициентов пропускания, используемых в числе входных параметров стекла, могут применяться файлы Trans.Cal и Trans2.Cal. При известных нормальном коэффициенте пропускания и показателе преломления для расчёта коэффициентов пропускания и отражения в разных направлениях может использоваться файл Trans.Cal. При измеренных нормальных коэффициентах пропускания и отражения файл Trans2.Cal может использоваться для получения показателя преломления и коэффициентов пропускания в разных направлениях, которые могут непосредственно вводиться в описание характеристик рассматриваемого стекла. Файл Тrans2. Cal, однако, обеспечивает лишь приближённое решение. Для имитации окрашенного стекла, наряду с файлами Trans.Cal и Trans2.Cal использовалась двунаправленная функция распределения отражения/пропускания (при имитации материала стекла). Однако при использовании этой функции в случае стекла характеристики смешанного и диффузного отражений не могут рассчитываться методом Монте«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 12:00 18:00 19:00 Снаружи Вертикальное остекление Изнутри 1A Рис. 4. Изображения вида здания с вертикальными окрашенными стеклопакетами изнутри и снаружи 12:00 18:00 19:00 Снаружи Наклонное остекление Изнутри Наклонное остекление 1Б Рис. 5. Изображения вида здания с наклонными окрашенными стеклопакетами изнутри и снаружи Карло. Функция Glazing.Cal с хорошо определённым обрезанием или «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 пределом коэффициента пропускания (Т) позволяет при Т ≥ 0,645 имити- ровать прозрачное, а при Т < 0,645 – окрашенное стекло. Однако коэффи35 Входные данные Поверхности помещения (из CAD) Материалы (из Desktop Radiance и определяемые пользователем) Условия имитации: - Энн-Арбор, Мичиган - Пасмурное небо МКО - Время: 16:30 – 17:15 - Число отражений от окружающей среды – 5 - Аппроксимация параметров окружающей среды отсутствует Прозрачное остекление Остекление с покрытием с низкой излучательной способностью Вариант А Вариант Б 16:30 16:30 16:30 16:45 16:45 16:45 17:00 17:00 17:00 17:15 17:15 17:15 Применение стандартов ASTM C 1376-97 и ASTM D 2244-02 для оценок Наблюдаются небольшие цветовые различия стёкол разного типа Для определения цветовых различий (в пикселях) в системе RGB, связанных с использованием спектральных характеристик, используется MatLab Рис. 6. Изображения помещения при использовании вертикальных прозрачных стеклопакетов и двух разных прозрачных остеклений с покрытием с низкой излучательной способностью циенты τr, τg, τb – только нормальные. Их угловая зависимость рассчитывается с помощью файлов Glaz. Csh, Glaz1.Cal и Glaz2.Cal. В качестве входных данных в методике по пп. 2.1 и 2.2 использовались различные измеренные оптические характеристики остекления и преобразованные в цвета в системе RGB спектральные данные. 3. Результаты Диапазон постоянных переменных (constant variables) во входных данных типа мутности и влажности атмосферы выражался при этих имитациях посредством материальных функций ПП Radiance. Некоторые пере36 менные использовались для определения пределов с учётом яркости неба как фоновой. Этот подход эффективен при текущем использовании цветовых моделей, предполагающих использование спектральных данных и соответствующих компьютерных программ. Для моделирования и имитации действия остекления и его визуализации в архитектурном проектировании в качестве входных данных необходимы спектральные характеристики его отражения и пропускания. Измерение этих физических характеристик должно полностью соответствовать требованиям промышленных и международных стандартов [16]. Результаты, полученные из данных спектральных измерений в наружных и регулируемых лабораторных условиях, показывают, что эти характеристики различны для разных многослойных систем остекления, составленных из множества стеклопакетов. На рис. 3 представлены результаты измерений спектральных коэффициентов пропускания и отражения выбранных систем остекления под реальным небом и в регулируемых лабораторных условиях освещения. Для точного моделирования необходимо знание спектральных коэффициентов отражения фронтальной и тыльной сторон остекления и его спектрального коэффициента пропускания. Эти измеренные спектральные характеристики преобразуются в усреднённые цвета в системе RGB, «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 7. Последовательность операций в программном продукте Radiance с дополнительными путями, обусловленными использованием измеряемых спектральных характеристик после чего используются в качестве входных данных в программах имитации освещения для визуализации систем прозрачного остекления. Возможность точной имитации диффузного, окрашенного и фриттованного стёкол ещё только изучается многими исследователями. В ПП Radiance материальная функция «стекло» позволяет моделировать прозрачное стекло, коэффициенты τr, τg и τb и зависимые от угла функции, которые используются вместе с показателем преломления (принимаемым равным 1,52) или меняются должным образом посредством двунаправленной функции распределения пропускания/отражения. При использовании данных о стекле, содержащихся в компьютерной программе Optics 5, весьма рекомендуется использовать для расчёта нормального коэффициента пропускания и показателя преломления файлы Trans. Cal и Trans2.Cal [12]. 3.1. Имитация остекления с помощью программного продукта Radiance Для исследования влияния вида остекления на количественные и качественные характеристики освещения помещений проводилось моделирование одной и той же сцены, но с различными видами остекления. Рассматривались два вида остекления: из прозрачного стекла и из различного окрашенного стекла с покрытием с низкой излучатель«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 ной способностью. Входные данные по стеклу для ПП Radiance берутся из программы Optics 5 с использованием вкладки «стекло». С учётом неопределённостей в точности имитации неба и яркостных моделях солнечного диска, а также в возможности использования измеренных спектральных коэффициентов отражения и пропускания стекла как входных данных в двух выбранных ПП, в качестве источника естественного дневного света использовалось пасмурное небо МКО в 12:00 и 18:00, а естественного вечернего света – в 19:00. Системы остекления моделировались при их вертикальном и наклонном положениях. Для оценки условий естественного освещения внутри и снаружи зданий были выбраны несколько типов окрашенных стёкол. Для визуализации полных внутреннего и внешнего видов сцены использовалась оптика «рыбий глаз» (рис. 4 и 5). Для определения того, какая из сторон стекла фронтальная, требуется некоторое внимание к входным параметрам. Фронтальная сторона стекла обозначается цифрой 1. Если свет падает с гладкой стороны остекления (если косинус угла падения положителен), то из коэффициента отражения этой стороны стекла «вычленяется» зеркальная составляющая. Результаты по рис. 4 и 5 для интерьера в 19:00 показывают использование файла Glaze1. Cal для вычисления характеристик прозрачного стекла (нормальные коэф- фициенты пропускания и отражения 0,883 и 0,076 соответственно). Визуализация была выполнена с использованием стандартного распределения Unix Radiance [12]. На рис. 6 показаны результаты моделирования простых интерьерных сцен, которое проводилось с целью изучения влияния различных видов систем остекления на количественные и качественные характеристики освещения помещений. При этом представлены три варианта остекления: прозрачное остекление и два типа прозрачного стекла с покрытием, снижающим его излучательную способность. Входные данные по стеклу для ПП Radiance получены с использованием методик по статье [4], отмеченных в п. 2.3. Для показа распределения яркости неба и влияния коэффициента пропускания стекла в случае, когда фоном является земная поверхность, использовались данные для разного времени суток. Эти результаты несут полезную информацию, касающуюся вышерассмотренных проблем цветового усреднения в системе RGB и N – шаговой методики. Наблюдается небольшое изменение цвета. Дальнейшие исследования проводились с использованием картографирования распределения яркости в ПП MathLab с целью количественного определения цветового различия в соответствии с используемыми в настоящее время стандартами [16]. На рис. 7 показана типичная последовательность операций в ПП Radiance, 37 Переменная С наружной стороны С внутренней стороны Реальное изображение Корпуса биомедицинских исследований Мичиганского университета при ясном небе в 9:00 21 сентября, Энн Арбор, Мичиган, прозрачное остекление, южный фасад Имитация №1 Максимальный коэффициент пропускания τmax 0,9 0,81 Средний коэффициент пропускания τavg 0,81 0,71 Максимальный коэффициент отражения ρmax 0,52 1,0 Cредний коэффициент отражения ρavg 0,19 0,29 R 0,7 0,6 G 1,0 1,0 B 0,85 0,85 Имитация №2 τmax 0,9 0,81 τavg 0,81 0,71 ρmax 0,52 1,0 ρavg 0,19 0,29 R 1,0 0,6 G 0,55 1,0 B 0,55 0,85 Имитация №3 τmax 0,9 0,81 τavg 0,81 0,71 ρmax 0,52 1,0 ρavg 0,19 0,29 R 0,55 0,6 G 0,55 1,0 B 1,0 0,85 Рис. 8. Изображения внешнего вида здания с вертикальным прозрачным и вертикальным окрашенным (с покрытием с низкой излучательной способностью) остеклениями в рамках данного исследования, с дополнительными путями для результатов спектральных измерений и преобразования их в цвета в системе RGB. 38 Результаты показывают возможность появления некоторого заметного цветового различия с учётом динамических диапазонов значений, получае- мых при указанном преобразовании спектральных данных в цвета в системе RGB, и ограничений графических возможностей дисплея. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 3.2. Имитация остекления с помощью программного продукта 3 ds Max Прозрачное остекление и различные наружные поверхности здания моделировались посредством ПП 3 ds Max с целью проверки влияния выбора остекления на качественные и количественные характеристики наружного освещения. Рассматривались три вида остекления: прозрачное и два вида стеклопакетов с окрашенными стёклами с покрытием с низкой излучательной способностью. Характеристики остекления в системе RGB получены преобразованием данных спектральных измерений с использованием ранее упомянутой N-шаговой методики. Результаты имитации, представленные на рис. 8, и изменения цвета в вариантах № 2 и 3 – изменения цветовых координат в системе RGB от (1,0; 0,55; 0,55) до (0,55; 0,55; 1,0) – при одних и тех же коэффициентах пропускания заметны даже при ограничениях со стороны графических мониторов и печатных изображений. 4. Анализ и обсуждение Умение посвящать архитекторов и проектировщиков в вопросы цвета и его восприятия предполагает интеграцию различных областей знания: физиологии, психологии, физики, химии, электроники, информатики и т. д. [17]. Задача создания реалистичных сцен проста даже без полного понимания колориметрических проблем цветового согласования. Используя настройки по умолчанию в некоторых программных продуктах, проектировщики с некоторым знанием компьютерной графики могут имитировать требуемые условия освещения без точной оценки RGB компонентов любых цветовых стимулов. Отсутствуют специализированные ПП для немедленного получения требуемых точных результатов моделирования архитектурных сцен без понимания законов и математических представлений цвета. С другой стороны, изготовители остекления сочли необходимым снабжать клиентов небольшим количеством образцов стекла, справочной литературой и соответствующими образовательными материалами соответствующего уровня глубины с тем, чтобы они могли понимать, как производятся стеклоизделия «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 и что влияет на восприятие ими цветовых характеристик поверхностей, выбираемых проектировщиками. 5. Итоговые замечания и заключение Абсолютные ошибки визуализации для большинства проектировщиков освещения – не главные, важнее ошибки относительные. Полученная нами информация и её анализ позволяют наметить контуры ряда норм и требований в части прогноза уровней яркости наружных поверхностей и освещённости на внутренних поверхностях. С учётом динамических диапазонов уровней прямого и отражённого естественного освещения простых и сложных внутренних пространств и фасадов зданий разной конфигурации с большой площадью остекления результаты наших исследований указывают пределы и точность современных алгоритмов вычислений. А тот факт, что они учитывают физические свойства материалов, фактически заметно развивает применение визуализации и прогнозирования условий освещения или воспринимаемого цвета зданий с учётом характеристик их поверхностей и современных компьютерных программ. Использование компьютерных изображений могло бы служить альтернативой использованию реальных образцов стекла при отборочных и проектных оценках видов остекления. Изложенный подход, повидимому, не требует абсолютной точности имитации сцен, ускоряя этим принятие проектных решений (хотя, однако, редко, но бывают случаи проектирования, требующие высокой точности имитации). Данный проект финансируется Исследовательской лабораторией по проектированию устойчиво развивающихся систем при Колледже архитектуры и градостроительства им. А.А. Таубмана Мичиганского университета. Отдельная благодарность Сиритип Харнтавивонгса за её усилия в части параметрической имитации с использованием версии UNIX ПП Radiance. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ward Larsоn, G., Shakespeare, R. Rendering with Radiance: The Art and Science of Lighting Visualization. – St. Louis, MO: Morgan Kaufmann Publishers, Inc., 1998. 2. Travis, D. Effective Color Displays. – Academic press, 1991. 3. Wyszecki, G., Stiles, W. S. Color Science. – 2 nd ed. – NY: Wiley-Interscience, 2000. 4. Ruppertsberg, A.I., Bloj, M. Rendering complex scenes for psychophysics using RADIANCE: How accurate can you get? // Journal of the Opticsal Society of America A. – 2006. – Vol. 23, № 4. – Р. 759–768. 5. Foley, J. D, van Dam, A., Feiner, S. K., Hughes J. F. Computer Graphics: Principles and Practice. – 2 nd ed. – Addison-Wesley, 1992. 6. Ferwerda, J. «Hi-Fi? Rendering» Program of Computer Graphics. – Cornell University, USA, 2001. URL: http://www.graphics.cornell.edu/~jaf/. 7. Lafon, R. «Digital Dream» catalyst. – 2008. – Aug.- P. 18–27. URL: http://www.catalys.com. 8. Yang, J. N., Maloney, L. T. Illuminant cues in surface color perception: tests of three candidate cues // Vision Res. – 2001. – Vol. 41. – P. 2581–2600. 9. Ruppertsberg, A.I., Bloj M. Colour Accuracy in Computer Simulations used for Psychophysics // Proceedings of the 1 st Symposium on Applied perception in graphics and visualization, 2004, Los Angeles, California. 10. Vos, J. J. Colorimetric and photometric properties of a 2-eg fundamental observer // Color Res. Appl. – 1978. – Vol. 3. – P. 125–128. 11. URL:http:// www.PhotoResearch.com/ PR-705/715 Spectroradiometer и http://www. oceanOptics.com/products/ 12. Gregory, J.W. Behaviour of Materials in RADIANCE // Radiance Download Page – Lawrence Berkeley Laboratory, 1997. 13. Ward Larson, G, Rushmeier, H., Piatko, C. A visibility matching tone reproduction operator for high dynamic range scenes // IEEE Trans. Vis. Computing. Graph. – 1997. – Vol. 3. – P. 291– 306. 14. Navvab, M., et al. Application of the New Standards for the Evaluation of Daylight and Solar Availability Measurements. – // Journal of the IESNA. – 1995. – August. – P. 113–130. 15. Perez, R., Seals, R., Michalsky, J. An allweather model for sky luminance distribution // Solar Energy. – 1993. – Vol. 50, № 3. – Р. 235– 245. 16. ASTM: C 1376–97 и ASTM: D 2244–02. 17. Lányi, C. S., et al. Using multimedia Interactive E-Teaching in Color Science // LEUKOS. – 2007. – Vol. 4, № 1. – P. 71–92. Мойтаба Навваб (Mojtaba Navvab), доктор философии. Преподаватель Колледжа архитектуры и градостроительства им. А.А. Таубмана Мичиганского университета. Член Североамериканского светотехнического общества (IESNA). Член Международного редсовета журнала Lighting Research and Technology. Лауреат многочисленных премий IESNA и Американского института архитектуры (AIA) 39 Конференция Lux Pacifica в Бангкоке С 23 по 25 апреля 2009 г. в столице Тайланда Бангкоке прошла 6-я Международная светотехническая конференция, проведённая организацией Lux Pacifica, объединяющей светотехнические общества многих стран Тихоокеанского и, отчасти, прилегающих к нему регионов: Австралия и Новая Зеландия, Индия, КНР (с Гонконгом), Россия, Северная Америка (Канада, Мексика, США), Тайланд, ЮАР и Япония. Первоначально конференцию планировалось провести в Хабаровске, но в связи с трудностями, вызванными мировым финансовым кризисом, она была перенесена в Бангкок. Две недели, предшествовавшие форуму, были отмечены бурными событиями в Бангкоке, вызванными сложной внутриполитической ситуацией в стране. Но, к счастью, на момент проведения конференции напряжённость спала, и ситуация в городе полностью нормализовалась. В конференции, носящей открытый характер, приняли участие более 80 делегатов из 15 стран мира. Наибольшее число участников представила Япония – 35, далее идут Австралия – 11, КНР и Россия – по 7, Тайланд – 5. Россию представляли: директор ГУП «Моссвет» А.Ю. Федорищев, генеральный директор ООО «ВНИСИ» А.Г. Шахпарунянц, зав. лабораторией ООО «ВНИСИ» А.А. Барцев, заведующая спектрофотометрической лабораторией ООО «ВНИСИ» О.П. Меламед, ведущий научный сотрудник ООО «Управляющая компания «БЛ ГРУПП» А.А. Коробко и др. Конференция проводилась в аудиториях гостиницы «Holiday Inn Silom» 40 в ф о рм е п р ед ставления устных и стендовых докладов. Открыл ко н ф е р е н ц и ю один из основателей Lux Pacifica и её председатель Уоррен Джулиан (Светотехническое общество Австралии и Новой Зеландии). В приветственной речи (см. фото) он отметил, что в 2009 г. конференция отмечает свой 20-летний юбилей и что со времени первой конференции Lux Pacifica, в 1989 г. в Шанхае произошли огромные изменения в светотехнической отрасли, экономике и политической ситуации странучастников, из-за чего выбранный для конференции девиз «Свет без границ» весьма символичен и отражает новейшие тенденции развития мирового экономического сотрудничества. Участники конференции почтили память недавно ушедших коллег: Геннадия Рубеновича Шахпарунянца – вицепрезидента МКО, президента Российского светотехнического общества и Российского национального комитета МКО, и Джамнарна Хокиерти – президента Тайландской светотехнической ассоциации. На пленарном заседании конференции её организаторы – представители Светотехнического общества Тайланда и Университета Бангкока – в своих обзорных докладах ознакомили участников конференции с историей памятников архитектуры страны и современными проектами по освещению Королевской резиденции. Кроме того, вниманию участников был предложен доклад об исследовании по осветительным установкам для офисных помещений с открытой планировкой в Бангкоке, направленном на снижение энергопотребления и более эффективное использование естественного освещения. На секционных заседаниях, проходивших параллельно в двух аудиториях, были представлены 37 докладов, а на постерной сессии, в фойе – 15 стендовых докладов. Доклады группировались по следующим направлениям: • зрительное восприятие и цвет; • естественное освещение; • дорожное освещение; • внутреннее освещение; • вопросы энергосбережения; • характеристики светодиодов и их применение; • светотехническое оборудование; • светотехническое образование. От России были представлены два секционных доклада, «Сертификация светотехнической продукции» (О.П. Меламед) и «Проблема освещения ближней зоны» (А.А. Коробко), и один стендовый, «Погрешности спектроколориметрического метода при измерении координат цветности» (О.П. Меламед). Доклады вызвали интерес, был задан ряд вопросов, на которые были даны исчерпывающие ответы. На заключительном пленарном заседании были представлены 3 доклада, по внутреннему и наружному освещению. Во время конференции состоялось заседание Совета Lux Pacifica, в котором от России участвовала А.Г. Шахпарунянц. На заседании обсуждались вопросы будущего развития этой региональной организации. При этом, по предложению России, была утверждена страна следующей, 7-й, конференции (2013 г.): ею вновь будет Тайланд. В рамках культурной программы конференции состоялась вечерняя экскурсия на прогулочном катере по реке Чао Прайя с целью ознакомления участников с архитектурным освещением мостов, набережных и расположенными вблизи достопримечательностями. Нельзя не отметить хорошую организацию форума. Душой всех мероприятий были председатель Lux Pacifica и данной конференции Уоррен Джулиан и его супруга Стефания, исполнявшая функции секретаря оргкомитета. По традиции все участники получили труды конференции (в бумажном и электронном варинтах), в которые, кроме упомянутых выше, включены ещё два доклада от России: «Свет и город – что первично, для зодчего и для зодчества?» (Н.И. Щепетков) и «Оптимизация технологического процесса облучения в сельском хозяйстве на основе критерия энергосбережения» (С.А. Ракутько). С материалами конференции можно ознакомиться у секретаря Российского национального комитета МКО А.М. Гальцева. А.А. Коробко, канд. техн. наук, член Отделения 5 МКО, О.П. Меламед, канд. техн. наук, член Отделения 2 МКО «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Энергосбережение посредством интеллектуальных систем светорегулирования А. БОНАТИ 1 Компания Osram S.р.а, Тревизо, Италия Аннотация Лишь немногие потребители, как в частном, так и в коммерческом секторах, оценивают стоимость осветительных установок за весь срок их службы, то есть «совокупную стоимость владения», в которую, помимо начальных вложений, входят затраты на электроэнергию и техническое обслуживание. Это часто приводит к использованию дешёвых на первый взгляд осветительных установок, которые впоследствии оказываются энергоёмкими. В результате получают высокие эксплуатационные расходы и отрицательное воздействие на окружающую среду. 1 В статье показывается, какие возможности открывают нам системы светорегулирования в части экономии затрат на электроэнергию и уменьшения вредного воздействия осветительных установок на окружающую среду. Затем на примере двух реальных офисов оцениваются преимущества использования энергосберегающих систем, с определением при этом срока их окупаемости и подсчётом средств, сэкономленных за 10 лет с момента ввода этих систем в действие. Ключевые слова: светорегулирование, экономия электроэнергии, зелёные здания, датчики. период с 2000 по 2008 гг. тарифы на электроэнергию в Германии (и в среднем по Европе) возросли примерно на 40 % для частных потребителей и на 110 % для промышленности. К тому же, большое внимание уделяется охране окружающей среды, в рамках которой прилагаются большие усилия по уменьшению выбросов CO2. В частности, пятая часть вырабатываемой в мире электроэнергии используется для освещения, и, согласно произведённым в последнее время расчётам, путём «перехода» к более эффективным осветительным системам в Европе на эксплуатационных расходах было бы сэкономлено €4,3 трл. кВт·ч, что соответствует совокупной энергетической выработке двенадцати электростанций средней производительности или более чем 50-ти млн. баррелей (1 баррель = 159 л) нефти и 28-ми млн. т CO2 ежегодно. В масштабах планеты это означает уменьшение объёма выбросов CO2 на 160 млн. т в год. Глядя на эти цифры, становится совершенно очевидно, сколь важное для энергосбережения значение имеет светорегулирование. 1. Введение 1 По материалам доклада на 6-й Международной светотехнической конференции стран Тихоокеанского региона LUX PACIFICA 2009, 23–25 апреля 2009 г., Бангкок. E-mail: a.bonati@osram.com Перевод с англ. Е.И.Розовского. Возрастающий в последнее время интерес к энергосберегающим устройствам обусловлен целым рядом причин. В первую очередь это общее возрастание стоимости энергии и, в частности, стоимости электроэнергии: за Рис. 1. Управление освещением в случае темнения «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 2. Экономящие энергию новые товары Все предназначенные для экономии электроэнергии системы управления освещением в своей основе базируются на использовании датчиков присутствия, датчиков уровней освещённости или комбинированных датчиков, сочетающих в себе обе эти функции. Ещё одно существенное отличие систем управления освещением состоит в использовании этих датчиков в установках с регулированием и без регулирования освещения. В то время как применительно к обнаружению присутствия между этими двумя случаями нет особой разницы (свет с некоторым запаздыванием выключается после последней регистрации присутствия), применительно к датчикам освещённости поведение светорегулирующей системы совершенно иное. Фактически, в случае нерегулируемого освещения уровень искусственного освещения может быть либо 100, либо 0 % (в соответствии с заданным пороговым уровнем освещённости), тогда как в случае регулируемого освещения уровень искусственного освещения непрерывно изменяется для компенсации его изменений (рис. 1). 41 Рис. 2. Полная конфигурация системы устройств MULTI3 Рис. 3. Распределение уровня естественного освещения Конечно, возможность энергосбережения существенным образом зависит от принятого способа управления освещением; грубо говоря, потенциальная экономия электроэнергии возрастает от 25 % при использовании датчиков освещённости в случае нерегулируемого освещения до 75 % при использовании комбинированных (присутствие и освещённость) датчиков в случае регулируемого освещения. 2.1. Случай регулируемого освещения В портфеле компании Osram имеется несколько изделий для этой области применения. Простейшими из них является пара датчиков (датчик осве42 щённости и комбинированный датчик), получивших название TOUCH DIM, которые позволяют реализовать возможности запатентованных компанией Osram электронных управляющих устройств, работающих по протоколу DALI. В этом случае для получения энергосберегающей системы управления освещением достаточно присоединить один из этих датчиков TOUCH DIM непосредственно к устройствам DALI EGG компании Osram. Конечно, столь простое решение предназначено лишь для таких элементарных случаев, как одиночные светильники. Кроме того, в портфеле компании Osram можно найти и полный набор подходящих для регулируемых балластов с аналоговыми интерфейса- ми (1–10 В) обособленных датчиков, охватывающий диапазон от простейших областей применения (датчик освещённости DIM PICO) с возможностью контролировать одновременно вплоть до 10-ти устройств EGG до обширнейших областей применения (датчик освещённости DIM MICO и комбинированный датчик DIM DALI) с возможностью контролировать вплоть до 100 устройств EGG. Однако для реализации энергосберегающих решений предпочтительными являются устройства, работающие по протоколу DALI, компании Osram, поэтому у последней имеется семейство товаров MULTI, объединяющее в себе высокоэффективные изделия, предназначенные для подобных целей. Это семейство содержит полный набор комбинированных датчиков для различных условий применения; у нас есть встраиваемые в светильники датчики и потолочные датчики. Кроме того, семейство товаров MULTI включает в себя управляющие устройства, автоматически контролирующие работу электронных управляющих устройств, работающих по протоколу DALI. Для небольших установок у нас есть управляющее устройство DALI MULTIeco, позволяющее контролировать до шести устройств DALI EGG с использованием до 2-х датчиков одновременно, в то время как для больших помещений можно воспользоваться управляющим устройством MULTI3, контролирующим вплоть до 32-х устройств EGG и использующим до 4-х датчиков одновременно. Кроме того, в случае очень больших установок имеется возможность синхронизации вплоть до 4-х управляющих устройств MULTI3, что позволяет контролировать вплоть до 128 устройств EGG (рис. 2). Как показано на рис. 2, в случае большого помещения с многочисленными светильниками хорошим выбором является расположение этих светильников параллельными рядами относительно окна с подключением каждого из рядов к одному и тому же управляющему устройству MULTI3. Это обусловлено тем обстоятельством, что, с одной стороны, все светильники, подключённые к одному и тому же управляющему устройству MULTI3, имеют один и тот же заданный уровень светового потока, и, с другой стороны, вклад есте«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 4. Отдельный офис Рис. 5. Комната для совещаний ственного освещения в общий уровень освещённости уменьшается по мере удаления от окна вглубь помещения (рис. 3). го освещения устройство MULTIeco может встраиваться в светильники. Как бы то ни было, предназначенное для случая нерегулируемого освещения устройство MULTIeco можно (как и устройство DALI MULTIeco) устанавливать на потолке при помощи кабельного зажима. 2.2. Случай нерегулируемого освещения В портфеле компании Osram можно найти и изделия, охватывающие широкую область применения и в случае нерегулируемого освещения. Если говорить об обособленных датчиках, то у нас есть, например, изделия с беспроводной связью, предназначенные для уже существующих установок, где трудно провести дополнительную проводку; в этом случае комбинированные датчики с солнечными элементами (без аккумуляторов) связываются с приёмниками посредством устройств ENOCEAN (компания Osram является членом альянса ENOCEAN). Для промышленных установок у нас имеется датчик присутствия, предназначенный для помещений с высотой потолка до 10 м, который может также использоваться совместно с предназначенным для размещения на стене датчиком освещённости. В семье товаров MULTI имеется также и предназначенное для работы с устройствами EGG устройство управления MULTIeco, которое может использовать до 2-х датчиков и позволяет реализовать разные режимы работы: автоматический, полуавтоматический, ручной и т. д. Что касается управляющих устройств MULTIeco, то благодаря своим малым размерам предназначенное для нерегулируемо«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 3. Энергосберегающие достоинства Для конкретной оценки преимуществ использования энергосберегающих систем расмотрим две офисные установки: для отдельного офиса (12 м2) и для комнаты для совещаний (24 м2); мы проведём сравнение установок без регулирования освещённости и регулируемых энергосберегающих установок, в которых используются комбинированные датчики. При помощи разработанной компанией Osram для своих нужд методики рассчитаем для этих двух помещений экономию энергии/затрат, время окупаемости и средства, сэкономленные за 10 лет с момента ввода осветительной установки в действие. При проведении этих расчётов будем исходить из следующих допущений: мы находимся в Германии (€ 0,16 /кВт.·ч), продолжительность рабочего дня составляет 8 ч, с 8:00 до 17:00 (с часовым перерывом на обед), рабочая неделя состоит из 5-ти рабочих дней, в помещении есть одна стена с окнами (занимающими 60 % поверхности выбранной стены), в случае стандартной осветительной установки обеспечивается полное освещение на протяжении всего рабочего периода, при переходе от стандартной нерегулируемой установки к регулируемым светильникам с устройствами по протоколу DALI имеет место 25-процентное увеличение стоимости. 3.1. Отдельный офис Применительно к этому случаю мы рассмотрели осветительную установку, состоящую из трёх локальных потолочных светильников с компактными люминесцентными лампами мощностью 26 Вт (около 1800 лм) и одного подвесного светильника с двумя люминесцентными лампами Т5 мощностью 35 Вт (около 6600 лм) (рис. 4). Что касается системы управления освещением, то мы воспользовались одним (на все светильники) управляющим устройством DALI MULTIeco в сочетании с устройствами DALI EGG компании Osram, ЛЛ компании Osram и одним комбинированным датчиком, размещённым в подвесном светильнике. В случае этой конфигурации мы получили 75-процентную экономию энергии/затрат при составляющем 4 г времени окупаемости дополнительных затрат и равной € 450 экономии за 10 лет. 3.2. Комната для совещаний В этом случае мы рассмотрели осветительную установку, состоящую из восьми локальных потолочных светильников с КЛЛ мощностью 25 Вт (световой поток около 1800 лм), которые располагались двумя рядами (рис. 5). 43 Что касается системы управления освещением, то она состояла из двух управляющих устройств MULTI3 (по одному на каждый ряд светильников) в сочетании с устройствами DALI EGG и ЛЛ компании Osram и четырьмя комбинированными датчиками, расположенными в подвесном потолке (для полного обнаружения присутствия в помещении). В случае этой конфигурации мы получили 65-процентную экономию энергии/затрат при составляющем 6,5 лет времени окупаемости дополнительных затрат и равной € 400 экономии за 10 лет. 4. Заключение Системы управления освещением являются хорошим средством усовершенствования стандартных осветительных установок, предлагая большие возможности своего выбора для любой области применения. Мы показали, насколько важно принимать во внимание «совокупную стоимость владения», в которую, помимо начальных вложений, входят затраты на электроэнергию и техническое обслуживание. В этом случае можно оценивать реальные затраты за время работы осветительной системы, не обманываясь вариантами с малыми первоначальными капиталовложениями, но очень низкой энергетической эффективностью. И возможен вывод, что система управления освещением является хорошим способом экономии затрат на электроэнергию и уменьшения вредного воздействия осветительных установок на окружающую среду. ЗАЩИТА ДИССЕРТАЦИИ 11 июня 2009 г. в Томском государственном университете защитил диссертацию на соискание учёной степени доктора физико-математических наук Э.А. Соснин. Тема диссертации – «Действие излучения газоразрядных эксиламп на жидкую и газовую фазы органических веществ». В 1994 г. для обозначения всего многообразия источников спонтанного излучения на переходах эксимерных и эксиплексных молекул было предложено общее название – эксилампы (в англоязычной литературе – excimer and exciplex lamps). К началу работы соискателя (1995 г.) стало ясно, что применение излучения эксиламп открывает интересные возможности для управления различными фотопроцессами. Это, в свою очередь, требовало создания новых стабильных и интенсивных эксиламп с различными оптическими характеристиками, что обусловило актуальность работы, состоящей из двух взаимосвязанных направлений исследований: 1) формирование интенсивного, эффективного и стабильного излучения эксиламп; 2) изучение известных и поиск новых фотопроцессов, осуществляемых под воздействием излучения эксиламп. В результате получено большое количество научных и практических результатов, в частности: 1) созданы эксилампы продольного и поперечного барьерного разрядов на молекулах (рабочих) XeCl* (308 нм), KrCl* (222 нм), XeBr* (283 нм) и KrBr* (206 нм), в том числе многополосные эксилампы, обеспечивающие излучение нескольких рабочих молекул; 2) предложены и апробированы спосо- бы увеличения полезного срока службы безэлектродных эксиламп; 3) созданы и апробированы новые актинометрические системы для измерения интенсивности излучения KrCl*, XeCl* и Xe2* эксиламп; 4) обнаружено фоторегуляторное действие излучения KrBr* и XeCl* эксиламп на накопление фотосинтетических пигментов в хвое сеянцев трёх видов растений; 5) показано, что найденные и изученные эффекты действия ВУФ излучения на природный газ (осушка и увеличение доли тяжёлых фракций) перспективны для разработки технологии конверсии природного газа; 6) установленные факты достоверного инактивирующего действия излучения эксиламп на микроорганизмы позволили сформулировать требования к бактерицидным установкам с ними и т. д. Совет рекомендовал использовать результаты диссертационной работы Э.А. Соснина: 1) в качестве методического и справочного материала при подготовке кадров высшей квалификации по специальностям «Оптико-электронные приборы и системы», «Светотехника и источники света», «Микробиология», «Физические процессы горного или нефтегазового производства», «Биотехнология», «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Биомедицинская техника»; 2) в организациях, занимающихся исследованиями и разработкой источников УФ и ВУФ излучений; 3) в организациях, занимающихся исследованиями фотолиза, фотостабильности и фотосинтеза органических веществ, фотобиологического действия УФ излучения. Поздравляем с юбилеем! Алессио Бонати (Alessio Bonati), магистр по электронике (Университет Феррары, 2001) и магистр бизнеса (Школа профессиональных менеджеров, Болонья, 2004.) Менеджер по расширению рынка компании OSRAM S.p.a. 44 ОАО «ЭЛЕКТРОМОНТАЖ» — 70 лет Ðåäàêöèÿ è ðåäêîëëåãèÿ æóðíàëà «Ñâåòîòåõíèêà» ïîçäðàâëÿþò êîëëåêòèâ ÎÀÎ «Ýëåêòðîìîíòàæ» ñî ñëàâíûì þáèëååì è æåëàþò åìó íîâûõ òðóäîâûõ óñïåõîâ, áëàãîïîëó÷èÿ è ñâåòëîãî áóäóùåãî! «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Энергобезопасность на Петербургском международном экономическом форуме Форум проходил с 4 по 6 июня 2009 г. в Санкт-Петербурге в выставочном комплексе «Ленэкспо» в Гавани. Были заключены договора, подписаны соглашения. В его работе приняли участие 3500 человек из 83 стран мира. Среди них 5 глав государств, 14 заместителей премьер-министров, 23 министра, 46 губернаторов, 559 представителей российского бизнеса и 666 зарубежного и много других высокопоставленных участников. Мероприятия форума освещали 1200 представителей СМИ. Одной из многочисленных, актуальных, жизненно важных тем для любого государства, которая присутствовала в обсуждениях и дискуссиях на круглых столах была энергобезопасность – её эволюция, перспективы, соответствующие международное сотрудничество и соглашения. При этом на начало 2009 г. потребление электроэнергии в России составляло 1023 млрд. кВт·ч. (Уровень в 1074 млрд. кВт·ч, достигнутый в 1990 г., не был пока превзойдён.) Эта громадная выработка электроэнергии происходит благодаря использованию запасов ископаемого топлива – в основном нефти и газа, а также, но пока в меньшем объёме, угля и урана. По данным Минэнерго и Минприроды России за май 2009 г. в топливноэнергетическом балансе страны доля газа составляла свыше 50 %, нефти – 21 % и угля – около 15 %. Причина этого – география размещения запасов накопленного сырья и трубопроводной системы страны. Однако в Санкт-Петербурге электростанции, котельные в основном работают на газе. Вместе с тем запасы ископаемого топлива не вечны. И потому на смену им в дальнейшем должно прийти другое топливо, которое обязано с лихвой заменить нынешнее. Вот те темы, которые, в основном, рассматривались, обсуждались и отражались на стендах в павильонах «Ленэкспо»: Глобальная энергия – 2009 В день открытия форума – 4 июня – состоялась пресс-конференция лауреатов Международной энергетической премии «Глобальная энергия – 2009» академиков РАН А. Э. Конторовича и Н.П. Ловерова (получивших её за фундаментальные исследования и широкое внедрение методов поисков, разведки и разработки «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 месторождений нефти, газа, урана, научное обоснование и открытие крупнейших провинций энергетического минерального сырья) и профессора из Великобритании Б.Д. Сполдинга (за многочисленные оригинальные концепции процессов тепломассообмена, которые в механике жидких сред и вычислительной механике жидких сред стали базой практических расчётов в энергетике). Известно, что Вселенная существует около 13,5, а Земля 4 млрд. лет. Сейчас уже добывают нефть из земных слоёв возраста 1,2 млрд. лет. Не так давно это была несбыточная мечта. Ведутся работы по добыче нефти из слоёв возрастом до 1,5 млрд. лет, возможна ёё добыча и из слоёв возраста до 1,7 млрд. лет. Учёные считают, что в этом столетии традиционное ископаемое топливо ещё не иссякнет. Будут продолжаться поиски его залежей и вестись разработки открытых месторождений. А что ожидает человечество дальше? При исчезновении ископаемого топлива альтернативные возобновляемые источники энергии вряд ли смогут их заменить, ибо даже запасы урана для атомных станций ограничены. В России производимая электроэнергия от атомных электростанций составляет всего 16 %. Будущее – за термоядерной энергетикой. В 1985 г. академик Е.П. Велихов (участник пресс-конференции) предложил идею международного строительства первой термоядерной опытной станции. В 1986 г. было принято решение о совместном проектировании международного термоядерного экспериментального реактора. Сейчас учёные ряда ведущих стран мира упорно работают над созданием промышленной термоядерной электростанции. Солнечная энергетика Генеральный директор РОСНАНО А.Б. Чубайс и Председатель Наблюдательного комитета ГК «Ренова» В.Ф. Вексельберг на форуме подписали договор об осуществлении инвестиций и прав участников в отношении создаваемого совместного предприятия по производству солнечных модулей на базе технологии «тонких плёнок». Предполагается, что завод по производству солнечных модулей будет размещён на территории промышленной площадки ОАО «Химпром», г. Новоче- боксарск. Проектная мощность составит один миллион солнечных модулей в год. Выход на проектную мощность завода ожидается в конце 2011 г. Ожидается, что уже в 2015 г. прибыль проектной компании составит 10,3 млрд. руб. Кроме того, при заводе будет создан крупный исследовательский центр. Он будет работать над повышением эффективности солнечных модулей в сотрудничестве с Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе РАН. Следует отметить, что рынок солнечной энергетики бурно развивается. РОСНАНО, ссылаясь на данные исследовательской компании LUX Research (США), сообщает, что общий объём этого рынка в 2008 г. составил $33,3 млрд. или 5 ГВт мощности. (Увеличение с 2001 г., в денежном выражении, в 11 раз.) Основными рынками сбыта продукции совместного предприятия РОСНАНО и ГК «Ренова» предположительно станут страны Южной Европы. В долгосрочной перспективе до 15 % производимых солнечных модулей планируется направлять на российский рынок. Безусловно, солнечная энергетика (фотовольтаика) – перспективная и развивающая мировая отрасль. Неисчерпаемость энергии Солнца, высокая экологичность, автономность и простота в эксплуатации солнечных установок являются основными преимуществами фотовольтаики. Так, по данным РОСНАНО, в странах ЕС предполагается довести долю возобновляемых источников энергии в энергоресурсах к 2020 г. до 20 % (в России до 4,5 %, в Китае до 15–20 %). В США стремятся к 2017 г. достигнуть мощности солнечной энергетики в 1,75 ГВт. Разработки в области солнечной энергетики находят государственную поддержку во всем мире. Её механизмы: льготный закупочный тариф на солнечную электроэнергию, государственные субсидии на установку солнечных систем и льготные инвестиционные кредиты на развитие. Водные ресурсы и энергетика в XXI веке 5 июня состоялось рассмотрение вопросов использования гидроресурсов и гидропотенциала. Гидроэнергетика является важнейшей составляющей отечественной энергетики. Она – ресурс, естественно возобновляемый и экологически чистый. На гидроэнергетику приходится 16 % вырабатываемой электроэнергии страны. Кроме того, водные ресурсы применяются при производстве электроэнергии, получаемой с использованием раз- 45 личного топлива. Например, при производстве одного 1 МВт·ч из угля используется от 20 до 270 л воды на этапе добычи угля и ещё от 1200 до 2000 л – при преобразовании его энергии в электричество. В результате, производство 1 МВт·ч электроэнергии требует от 1220 до 2270 л воды. При производстве электроэнергии из ядерного топлива общий объём водопотребления составляет от 2870 до 3270 л на 1 МВт·ч. Следует подчеркнуть, что возобновляемые источники энергии, включая гидроэлектроэнергию, солнечную энергию, энергию ветра требуют минимального объёма воды или вообще в ней не нуждаются. Таким образом, вода и энергия тесно взаимосвязаны. Эти две ключевые проблемы должны увязываться друг с другом как в водоснабжении, так и энергоснабжении. Плавучая атомная электростанция На форуме был представлен макет первой плавучей атомной электростанции в мире. Его технический и рабочий проекты исполняет входящее в состав Объединённой промышленной корпорации (ОПК) ЦБК «Айсберг» (Санкт-Петербург). Генеральным про- 46 ектантом является ЗАО «Атомэнерго» (Санкт-Петербург). Предприятия ОПК строят первую в мире плавучую атомную элекростанцию. Её основные технические характеристики: длина – 144,2 м; ширина – 30 м; высота – 10 м; осадка – 5,6 м. Электрическая мощность каждого реактора – 35 МВт. Используемое топливо – ядерное. Срок эксплуатации – 38 лет. В рамках атомной тематики судостроители ОПК работают над созданием плавучих атомных электростанций совместно с концерном «Энергоатом», что вызывает особый интерес для энергетики и экономики России. Заключение Плодотворная, комфортная работа и приятные впечатления от пребывания в Санкт-Петербурге, несмотря на подкачавшую погоду, остались надолго у участников Петербургского международного форума – 2009. Прекрасные условия проведения форума были созданы благодаря титанической работе организационного комитета и всех участников подготовительной группы. Достаточно отметить, что территория ВК «Ленэкспо», а также павильоны преобразились. В павильонах – разнообраз- ное, оригинальное интерьерное и световое оформление. Оно было удивительным и восхитительным. Следует отметить и чёткую работу пресс-центра с 8:00 до 24:00 во все дни проведения форума. Прекрасные условия для передачи информации имели СМИ. Например, в конференц-зале 6.1 было 150 рабочих мест, оснащённых новейшими ноутбуками, 82 рабочих места с возможностью подключения собственного оборудования к электросети, 75 телефонных аппаратов с возможностью международной и междугородней связи, а также офисная техника, доступ в Интернет и т. д. И последнее. Организация форума потребовала значительных средств. И здесь помогли спонсоры. Генеральный спонсор – «Газпром», генеральные партнёры – Сбербанк России, «Вести», «Ведомости», Генеральный информационный спонсор «РИА Новости» и многие другие. Организация, координация, чёткость, оперативность в работе всех звеньев форума, его вдохновителей и организаторов, по праву получили высокое признание участников этого всемирно значимого форума. Е. Лесман, инженер, корресподент журнала «Светотехника» в Санкт-Петербурге «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Разработка эталонного инфракрасного излучателя с планарной структурой ТАМАКИ ЙАДЖИ, СУНСУКЕ МИЦУМА1, ФУМИО ОТАНИ, ХИДЕКАЦУ УЧИДА, Ю ХАРАДА, ЮКИ ХАСЕГАВА Научно-техническая аспирантура Саитамского университета, Япония Аннотация Ожидается, что углеродные нанотрубки (УНТ), используемые в качестве поглотителей оптического излучения, будут обладать большим коэффициентом излучения в инфракрасной (ИК) области спектра. Это соответствует закону Кирхгофа и обусловлено тем, что благодаря своей обеспечивающей многократные отражения структуре они обладают высокой спектральной поглощающей способностью в видимой области. Кроме того, благодаря планарности излучателей с УНТ, можно ожидать что они будут иметь малые размеры, вес и энергопотребление и большую площадь. Задача данного исследования заключалась в разработке на основе УНТ эталонного ИК излучателя с планарной структурой. УНТ нагревали плоским нагревателем и исследовали как вторичный источник излучения. При предполагаемой температуре нагрева 200 оС измеренные в девяти точках поверхностные температуры лежали в пределах 200,5 ± 0,5 оС. К тому же, спектральный коэффициент излучения в диапазоне длин волн от 4 до 10 мкм оказался равным 0,92 ± 0,01. Это показывает, что новый излучатель имеет такие же присущие эталонным ИК излучателям характеристики, как и ранее разработанный керамический цилиндрический излучатель на основе SiC. УНТ окисляются после нагрева до 250 оС на воздухе, и поэтому не подходят для измерений коэффициентов излучения с точностью 1 % на меньших 4 мкм длинах волн. На поверхность УНТ наносят золото. При толщине золотой плёнки 100 нм не окисляется вся подлож1 1 По материалам доклада на 6-й Международной светотехнической конференции стран Тихоокеанского региона LUX PACIFICA 2009, 23–25 апреля 2009 г., Бангкок. E-mail: shunsuke_mitsuma@yahoo.co.jp Перевод с англ. Е.И. Розовского «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 ка, и УНТ не окисляются при нагреве до 350 оС. При этом можно измерять коэффициенты излучения в диапазоне длин волн от 10 до 2,5 мкм с точностью 1 %. Ключевые слова: углеродные нанотрубки (УНТ), многократные отражения, планарная структура, эталонный ИК излучатель, ИК излучение, неокисляющееся покрытие. 1. Введение По мере непрерывного расширения применения инфракрасного (ИК) излучения возрастает и потребность в измерении его характеристик, причём для проведения таких измерений требуется наличие эталонного излучателя, характеризующегося равномерным распределением температуры поверхности и постоянным значением спектрального коэффициента излучения. В качестве эталонных ИК излучателей в диапазоне длин волн от 0,25 до 2,5 мкм в настоящее время используются ГЛН, которые не вполне годятся для использования в дальней ИК области. В качестве эталонного ИК излучателя нами ранее был разработан керамический цилиндрический излучатель на основе SiC (рис. 1) [1]. Этот излучатель отвечает требованиям постоянства распределения температуры поверхности и слабой зависимостью спектрального коэффи- циента излучения от длины волны. Но у него есть такие недостатки как большие энергопотребление и продолжительность нагрева, что связано с его высоким удельным сопротивлением и большими размерами. Для устранения этих недостатков мы применили в эталонном ИК излучателе углеродные нанотрубки (УНТ). Последние изготавливались каталитическим химическим осаждением из паровой фазы [2]. Благодаря присущим УНТ многократным отражениям света (рис. 2) спектральный коэффициент поглощения УНТ в видимом диапазоне (400–800 нм) составляет 98 %. Спектральный коэффициент поглощения α (λ) описывается выражением α (λ) = 1 – [R (λ) + T (λ)], где R (λ) – спектральный коэффициент отражения, а T (λ) – спектральный коэффициент пропускания. Ожидается, что УНТ, разработанные в нашей лаборатории в качестве поглотителей оптического излучения, будут иметь большой коэффициент излучения и что при использовании УНТ в эталонном ИК излучателе удастся обеспечить Рис. 1. Керамический цилиндрический излучатель на основе SiC Рис. 2. Принципиальная схема многократного отражения света в углеродных нанотрубках 47 Рис. 3. Экспериментальная установка Рис. 5. Зависимость температуры поверхности углеродных нанотрубок от тока Рис. 7. Изменение спектрального коэффициента пропускания при нагреве углеродных нанотрубок Рис. 4. Способ прямого резистивного нагрева углеродных нанотрубок осаждения из паровой фазы. Рабочим газом служил метан, а проволочный катализатор был изготовлен из никеля. Процесс осаждения УНТ протекает следующим образом. Подложка из SiO2 помещается на вольфрамовую нить накала и откачивается в вакуумной камере до 2×10–2 Па роторным насосом. Проволочный катализатор и подложка нагреваются до заданной температуры. В вакуумную камеру вводится метан, и в течение заданного времени происходит выращивание УНТ. Рис. 6. Способ косвенного резистивного нагрева углеродных нанотрубок малые размеры, вес и энергопотребление и большое излучающее тело. Цели настоящей работы – оценка характеристик УНТ как эталонного ИК излучателя и разработка эталонного ИК излучателя на основе УНТ с планарной структурой, используя присущие УНТ многократные отражения. 48 2.2. Способ нагрева углеродных нанотрубок 2. Методология 2.1. Способ изготовления углеродных нанотрубок На рис. 3 показана схема применявшейся нами экспериментальной установки каталитического химического УНТ нагревают, параллельно измеряя распределение их поверхностной температуры и спектральный коэффициент излучения. Схематическое изображение способа нагрева УНТ приведено на рис. 4. На рис. 5 продемонстрирована зависимость температуры поверхности УНТ от тока. При возрастании тока возрастает и температура поверхности (рис. 5). Однако при определённой температуре УНТ неэлектропроводны. При измерении спектрального коэффициен«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 8. Установка для измерения спектральной плотности энергетической яркости Рис. 9. Результаты измерения распределения температуры поверхности углеродных нанотрубок Рис. 11. Спектральный коэффициент излучения углеродных нанотрубок 3. Оценка характеристик углеродных нанотрубок как эталонного ИК излучателя Рис. 10. Полученные при помощи растрового электронного микроскопа изображения осаждённых углеродных нанотрубок та излучения УНТ ненагреваемы до нужной температуры способом прямого резистивного нагрева. Поэтому УНТ нагревались плоским нагревателем, а затем исследовались как вторичный источник излучения. Косвенным резистивным нагревом подложка с осаждёнными на ней УНТ может нагреваться до температуры, большей чем при прямом резистивном нагреве. Однако при нагреве до высокой температуры поверхность подложки меняется, и подложка становится прозрачной. На рис. 7 приведены результаты измерений среднего спектрального коэффициента пропускания в видимом диапазоне (400–800 нм) при нагреве УНТ. До нагрева УНТ этот коэффициент составлял примерно 2 %, а после нагрева УНТ до 250 оС он рос: происходило окисление УНТ, так как в вакуумной камере он не менялся при нагреве до 250–500 оС. Что касается рис. 7, то предельная температура на«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 грева УНТ при измерениях распределения поверхностной температуры и спектрального коэффициента излучения составляла 250 оС. 2.3. Метод измерения спектрального коэффициента излучения Для измерения спектрального коэффициента излучения использовался спектрофотометр с диффракционной решёткой. Соответственно, измерялись спектральные плотности энергетической яркости керамического цилиндрического источника излучения на основе SiC [1], нагреваемого до 200 оС, и также нагревавшихся до 200 оС УНТ. Коэффициент излучения УНТ определялся по относительной реакции приёмника оптического излучения. На рис. 8 показана схема установки для измерения спектральной плотности энергетической яркости. 3.1. Оценка распределения поверхностной температуры Для измерения температуры использовался бесконтактный ИК термометр (рис. 9). Исследуемые УНТ были осаждены на подложку из SiO2 размером 15×15 мм. Расстояние между девятью точками измерения температуры составляло 5 мм. Цифры на рисунке отражают измеренные в этих точках отклонения от составлявшего 200,5 оС среднего значения температуры. Эти отклонения в основном не превышали ± 0,5 оС. Так что распределение температуры поверхности УНТ, то есть распределение энергетической яркости поверхности, было равномерным. 3.2. Оценка спектрального коэффициента излучения Из полученных на растровом электронном микроскопе изображений осаждённых УНТ (рис. 10) следует, 49 Рис. 12. Установка вакуумного напыления что они имели диаметр 300–600 нм и толщину 12,1 мкм. Спектральные коэффициенты излучения измерялись по шесть раз через каждые 50 нм в диапазоне длин волн от 2 до 10 мкм. При этом в диапазоне 4–10 мкм они оказались равными 0,916 ± 0,012 (рис. 11). УНТ демонстрируют такой же коэффициент излучения, как и ранее разработанный керамический цилиндрический излучатель на основе SiC. Стандартное отклонение составляло менее 1 % в диапазоне 4–10 мкм, но было в несколько раз больше на длинах волн 4 мкм и короче. Для проведения более точных измерений в широком диапазоне длин волн излучатель нагревался до 200 оС или выше. Полученные результаты подтверждают тот факт, что новый излучатель обладает в спектральном диапазоне 4–10 мкм такими же характеристиками эталонного ИК излучателя, как и ранее разработанный керамический цилиндрический излучатель на основе SiC. В табл. 1 приведены характеристики УНТ излучателя и излучателя на основе SiC. 4. Золотое покрытие углеродных нанотрубок для защиты от окисления Рис. 13. Полученные при помощи растрового электронного микроскопа изображения углеродных нанотрубок после нанесения покрытия – золотой плёнки толщиной 400 (а), 200 (б), и 100 (в) нм 50 В качестве эталонных ИК излучателей в диапазоне длин волн от 0,25 до 2,5 мкм в настоящее время используются ГЛН. Задача состоит в расширении охватываемого УНТ диапазона длин волн до 2,5 мкм. Чтобы применять УНТ при высоких температурах, надо устранить их окисление при нагреве на воздухе. Поэтому методом вакуумного напыления их покрывают золотом. При этом золотая проволока (99,99 %) нагревалась спиральной вольфрамовой нитью накала (рис. 12) в вакууме (6,7 х 10–3 Па). Золотая плёнка имела толщину порядка 50, 100, 200 и 400 нм. На рис. 13 приведены полученные на растровом электронном микроскопе изображения УНТ после нанесения золота: слева – по нормали, справа – под углом 30 о. Из изображений под углом 30 о видно, что чем больше толщина золотой плёнки, тем меньше шероховатость УНТ. А из изображений по нормали – что золото напылено на кромки УНТ. Окисление центральной части подложки при нагреве покрытых золотом (50 мкм) УНТ до 350 оС было устраненено. Одна«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Таблица 1 Сравнение характеристик углеродных нанотрубок (УНТ) и керамического цилиндрического излучателя на основе SiC Излучатель на основе SiC УНТ Коэффициент излучения 0,924 ± 0,015 0,916 ± 0,012 Рабочая температура, оС 644 200 Диапазон длин волн, мкм 1,5 – 10 4 – 10 Размеры, мм 20 × 40 13 × 13 лись способом по рис. 4. Причём УНТ затрудняют прохождение электрического тока. В табл. 2 проведено сравнение характеристик УНТ и керамических цилиндрических излучателей на основе SiC. 5. Заключение Таблица 2 Сравнение характеристик углеродных нанотрубок (УНТ) после напыления золотого покрытия и керамического цилиндрического излучателя на основе SiC Излучатель на основе SiC УНТ Толщина плёнки 100 нм Коэффициент излучения 0,924 ± 0,015 0,894 ± 0,017 Рабочая температура, оС 644 350 Диапазон длин волн, мкм 1,5 – 10 2 – 10 Размеры, мм 20 × 40 15 × 15 Проведена оценка УНТ как эталонного ИК излучателя. При этом были получены поверхностные температуры в пределах 200,5 ± 0,5 оС и равный 0,91 ± 0,01 спектральный коэффициент излучения. Установлено, что УНТ соответствуют требованиям, предъявляемым к вышеупомянутому излучателю, только в диапазоне длин волн от 4 до 10 мкм. Для расширения диапазона длин волн УНТ были покрыты золотом (методом вакуумного напыления). В результате, УНТ не окислялись при нагреве до 350 оС. Поэтому можно измерять коэффициент излучения в спектральном диапазоне от 10 до 2 мкм. После нанесения золотой плёнки толщиной 100 нм коэффициент излучения уменьшился с 0,91 до 0,87. В задачи, которые придётся решать в будущем, входит разработка способа нанесения равномерного покрытия на всю подложку. Кроме того, мы попытаемся сохранить высокий коэффициент излучения и добиться применения в качестве покрытия такого материала, который дал бы возможность реализовать резистивный нагрев. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Рис. 14. Спектральный коэффициент излучения углеродных нанотрубок после напыления покрытия Рис. 15. Изменение разброса спектральной плотности энергетической яркости ко окисление периферии подложки этим не предотвращалось. Распределение толщины плёнки напылённого золота не было равномерным. Поэтому получение удовлетворительных тонкоплёночных покрытий не представляется возможным. При толщине же плёнки 100 нм не окисляется вся подложка, и УНТ не окисляются при нагреве до 350 оС. Результаты измерений спектральных коэффициентов излучения УНТ после напыления золотой плёнки приведены на рис. 14. Так как коэффициент излучения покрытой лишь золотом подложки из SiO2 приближается к 1, то после нанесения золотого покрытия поверхность УНТ сохраняет свою структуру. Изме- нение коэффициента излучения с изменением толщины плёнки связано с изменением частоты отражений за счёт изменения шероховатости УНТ и возрастанием коэффициента отражения покрытой золотом поверхности. Изменение разброса спектральной плотности энергетической яркости после нагрева до 350 оС показано на рис. 15. Разброс в спектральном диапазоне 2–10 мкм составил в этом случае 1 % и менее, хотя при нагреве УНТ до 200 оС разброс всё же увеличился в несколько раз при длине волны 4 мкм и менее. Область охватываемых УНТ длин волн может быть расширена покрытием УНТ золотом. После нанесения золота УНТ нагрева- «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 1. Ohtani, F., et al. Development of Farinfrared Irradiance standard // J. Opt. Soc. Am. – 1995. – P.377–384. 2. Nissato, M., et al. Application of Carbon Nanotubes to Optical Radiation Absorber // Proc. of LUX PACIFICA ’07, 2007. P. D2.135–138. Сунсуке Мицума (Shunsuke Mitsuma)2, инженер. Окончил в 2008 г. Технический факультет Саитамского университета. Магистрант аспирантуры Саитамского университета 2 Краткие сведения о соавторах приведены в журнале Light & Engineering. – 2009. – Vol. 17, №3 51 Расчёт компактного светильника с учётом многократных отражений между лампой и отражателем КОИЧИ ИКЕДА1 Компания TOKYO RIKA DAIGAKU, Токио, Япония Аннотация Новый метод компьютерного расчёта отражателя светильников с люминесцентной лампой, способного точно обеспечивать нужное светораспределение, основанный на использовании «особой криволинейной поверхности» (ОКП). ОКП способна точно управлять направлениями хода отражённых лучей, что обеспечивает подходящую кривую силы света светильников в главной поперечной плоскости (КСС) и исключать создающие блёскость нежелательные лучи. В данной работе создан новый, основанный на трассировке лучей итерационный методом, алгоритм расчёта прироста яркости поверхности лампы. С учётом многократных отражений, при которых поверхности лампы и отражателя рассматриваются как вторичные источники света, производятся итерационные расчёты, что позволяет через количественную оценку суммированных на поверхности лампы диффузно отражённых лучей рас1 1 По материалам доклада на 6-й Международной светотехнической конференции стран Тихоокеанского региона LUX PACIFICA 2009, 23–25 апреля 2009 г., Бангкок. E-mail: ikeda-main@hotmail.co.jp Перевод с англ. Е.И. Розовского. Рис. 1. Отражение света от экрана видео терминала и падающий непосредственно в глаза свет 52 считывать результирующее неравномерное распределение яркости по поверхности лампы. С помощью новых отражателей светильников, имеющих ОКП и плоскую поверхность, получены шесть типичных КСС, пригодных для офисного освещения. Ключевые слова: расчёт, светильник, люминесцентная лампа, отражатель, прирост яркости, КСС, главная поперечная плоскость. 1. Введение В последнее время по мере непрерывного роста компьютеризации офисов растёт заинтересованность в комфортности их световой среды. Поэтому разработка светильника, способного обеспечивать высокую точность кривой силы света в главной поперечной плоскости (КСС), не создающего блёскости и характеризующегося малым энергопотреблением, имеет принципиальное значение для обеспечения комфортной световой среды. Для точного регулирования КСС и повышения КПД светильника была выбрана «особая криволинейная поверхность» (ОКП), которую назвали «суперпараболическая криволинейная поверхность», позволяющая под заданным вертикальным углом отра- Рис. 2. Отражение света от книги и от стола жать лучи, испускаемые поверхностью люминесцентной лампы (ЛЛ) тангенциально к окружности цилиндра колбы. В рамках данной работы была создана система оптического анализа конструкции светильника и, посредством компьютерных расчётов, проведён оптический расчёт отражателя, способного с высокой точностью обеспечивать высокоэффективное светораспределение и, одновременно, имеющего адекватные с архитектурной точки зрения размеры. Разработан основанный на итерационном методе трассировки лучей алгоритм, который позволяет рассчитать неравномерный прирост яркости лампы из-за многократных отражений, и посредством этого алгоритма проведён численный анализ неравномерности распределения яркости. 2. Подходящее для офисов светораспределение Световые лучи в угловом интервале от 15 до 35о и при углах свыше 60о от вертикали, следует подавлять во избежание блёскости, вызываемой прямым излучением источника света (ИС), зеркально отражаемыми от поверхности экрана видеотерминала лучами или светом, диффузно отражаемым от поверхности лежащей на столе бумаги и т. д. (рис. 1 и 2). 3. Конструкция отражателя светильника Отражатель светильника разделяется на три части (рис. 3), поверхности каждой из которых придаётся форма, позволяющая должным образом направлять отражённые лучи. Форма каждой из этих частей при максимальном угле направленного отражения θ и угле излучения светильника в главной поперечной плоскости φ приближённо представляется совокупностью сверхтонких линий, рассчитываемых путём решения методом Рунге-Кутта параметрических дифференциальных уравнений, которые описывают форму поверхности каждой из этих частей отражателя. Форма поверхности отражателя выбирается с использованием ОКП, представляющей собой «суперпараболическую криволинейную поверхность», способную точно обеспечивать требуемую КСС с учётом конеч«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 3. Типичная форма отражателя светильника Рис. 4. Отражение света от суперпараболической криволинейной поверхности ности диаметра цилиндрического коаксиального ИС. 4. Криволинейная поверхность для отражателя Так как ЛЛ – не точечный ИС, а ИС конечного диаметра, то отражатель с традиционной параболической криволинейной поверхностью не способен точно обеспечить требуемую КСС. Поэтому иной раз не стоит использовать эту форму при выборе поверхности отражателя. Соответственно для точного обеспечения требуемой КСС и была разработана суперпараболическая криволинейная поверхность. Фокус последней расположен на поверхности ЛЛ, и эта криволинейная поверхность перенаправляет в заданном направлении лучи, испускаемые тангенциально к цилиндрической поверхности лампы, так, чтобы отражённые лучи заключались в пределах угловой области, ограниченной углом Θ (рис. 4). При углах, меньших Θ, возвращение света обратно на лампу отсутствует. Применительно к обычным ЛЛ эта криволинейная поверхность наиболее предпочтительна с точки «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 5. Некоторые примеры кривых силы света в главной поперечной плоскости светильников с отражателями с суперпараболическими криволинейными поверхностями. Слева – светильников шириной 18 см, справа –обычных светильников шириной 20 см. Кривые соответствуют коэффициентам зеркального отражения отражателей 0, 15, 30, 45, 60, 75 и 90 % зрения точного обеспечения требуемого высокоэффективного свераспределения. Параметрическое дифференциальное уравнение, которое описывает поперечное сечение ОКП, изобретённой в нашей лаборатории и названной нами, как уже говорилось, «суперпараболическая криволинейная поверхность», имеет вид ⎡ ⎧ ⎫⎤ ⎞ ⎛ y ⎢ ⎪ −1 ⎜ ⎟ − ⎪⎥ ⎢ ⎪cos ⎜ 2 ⎟ ⎪⎥ ⎝ x + y2 ⎠ ⎢1 ⎪ dy ⎪⎥ = tg ⎢ ⎨ ⎬⎥ , dx ⎛ ⎞ ⎪⎥ ⎢2 ⎪ R ⎟ + θ ⎪⎥ ⎢ ⎪− sin−1 ⎜ ⎜ ⎟ 2 2 ⎢ ⎪ ⎝ x + y ⎠ ⎪⎭⎥⎦ ⎣ ⎩ 53 Таблица Прирост яркости поверхности лампы (%) и КПД каждого отражателя (%) с различными коэффициентами зеркального отражения Крыло летучей мыши (4265) Крыло летучей мыши (4274) Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД 0 25,222 0 78,984 0 24,439 0 78,993 15 21,527 15 74,693 15 21,237 15 75,713 30 18,539 30 72,638 30 18,520 30 74,177 45 16,156 45 72,567 45 16,220 45 74,819 60 14,298 60 74,295 60 14,278 60 75,977 75 12,896 75 77,706 75 12,644 75 82,044 90 11,903 90 83,838 90 11,276 90 87,377 Моль (3144) Моль (5275) Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД 0 27,520 0 79,523 0 19,687 0 78,682 15 22,948 15 75,999 15 16,108 15 74,208 30 18,883 30 74,446 30 13,333 30 72,161 45 15,248 45 74,632 45 11,262 45 72,385 60 11,976 60 76,369 60 9,820 60 74,816 75 9,011 75 79,505 75 8,955 75 79,494 90 6,303 90 83,920 90 8,644 90 86,590 Бабочка (4161) Бабочка (5372) Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД 0 21,434 0 79,297 0 18,485 0 77,740 15 17,560 15 75,244 15 14,692 15 73,024 30 14,334 30 73,463 30 11,585 30 70,993 45 11,620 45 73,629 45 9,032 45 71,141 60 9,313 60 75,507 60 6,936 60 74,222 75 7,332 75 78,934 75 5,233 75 79,435 90 5,618 90 83,808 90 3,877 90 87,207 Рыба-ангел (3111) 54 Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Рыба-ангел (3132) Коэф. зеркальн. отражения КПД Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД 0 24,764 0 79,785 0 23,757 0 79,825 15 19,718 15 76,309 15 19,151 15 76,293 30 15,384 30 74,923 30 15,056 30 74,989 45 11,606 45 75,301 45 11,397 45 75,727 60 8,266 60 77,195 60 8,112 60 78,357 75 5,272 75 80,421 75 5,142 75 82,754 90 2,553 90 84,842 90 2,436 90 88,831 «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Орёл (4265) Орёл (4265) Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД 0 24.274 0 79,346 0 20,295 0 79,292 15 19,277 15 75,927 15 16,522 15 75,630 30 15,030 30 74,656 30 13,394 30 74,483 45 11,358 45 75,146 45 10,741 45 75,473 60 8,127 60 77,120 60 8,438 60 78,343 75 5,238 75 80,385 75 6,390 75 82,924 90 2,615 90 84,817 90 4,527 90 89,113 Ласточка (4265) Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Ласточка (4265) Коэф. зеркальн. отражения КПД Коэф. зеркальн. отражения Прирост яркости Коэф. зеркальн. отражения КПД 0 22,542 0 79,789 0 20,055 0 79,007 15 18,584 15 76,318 15 15,883 15 75,379 30 15,301 30 74,927 30 12,422 30 74,392 45 12,512 45 75,258 45 9,491 45 75,598 60 10,083 60 77,068 60 6,956 60 78,657 75 7,916 75 80,195 75 4,714 75 83,375 90 5,491 90 84,534 90 2,688 90 89,609 где R – радиус цилиндрической колбы ЛЛ; x и y – декартовы координаты в поперечном сечении светильника. 5. Краткое описание метода расчёта Поверхность ЛЛ разбивается на участки длиной 1 см по оси лампы, и каждое сечение их разбивается по окружности, перпендикулярной оси лампы, на 72 сектора. Каждый из этих секторов рассматривается как небольшой ИС, испускающий в трёхмерном пространстве 62500 лучей, распределение которых подчиняется закону Ламберта. Каждый из испускаемых лучей отслеживается методом трассировки лучей. Лучи, выходящие через световое отверстие светильника, суммируются на бесконечности. Для определения хода лучей в этой программе раздельно рассматриваются зеркально и диффузно отражаемые лучи. Ход первых отслеживается методом трассировки лучей. Что касается диффузно отражаемых лучей, то их поведение оценивается итерационным методом с помощью созданного в нашей лаборатории алгоритма «вторичных ИС». Во всех расчётах лучи света, которые представляются в виде «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 произведения потока вектора на телесный угол, отслеживаются трёхмерно до момента их выхода из светового отверстия светильника и суммируются на бесконечности. 6. Распределение яркости по поверхности лампы ЛЛ в светильнике нельзя считать цилиндрическим ИС с равномерным распределением яркости, ибо отражаемые отражателем лучи могут падать обратно на поверхность лампы, что может давать неравномерность распределение яркости по этой поверхности. Возвращаемые на последнюю лучи подразделяются на зеркально отражаемые ею, диффузно отражаемые лучи и диффузно проходящие через слой люминофора. Диффузно отражаемые лампой и диффузно проходящие через люминофор лучи отслеживаются и суммируются на поверхности лампы вплоть до момента стабилизации фотометрических параметров на ней. Суммируемые световые лучи интегрируются по каждому из указанных секторов, формируя вторичные ИС, и в результате получается окончательное (неравномерное) распределение яркости. После получения последнего переходят к расчёту КСС, рассматривая «аккумулированную» на поверхности лампы яркость в качестве вторичного ИС. 7. Кривая распределения силы света в главной поперечной плоскости С использованием оригинальной суперпараболической кривой были получены шесть типичных КСС, известных как «Крыло летучей мыши» («Batwing »), «Моль» («Moth»), «Бабочка» («Butterfly»), «Рыба-ангел» («Angel Fish»), «Орёл» («Eagle») и «Ласточка» («Swallow») (см. табл.). Несколько результатов расчётов КСС типичных моделей светильников с ЛЛ приведены на рис. 5. Светильники содержат отражатели с коэффициентами зеркального отражения от 0 до 90 % и коэффициентами диффузного отражения от 90 до 0 %. Если говорить о светильниках этого типа, то в них в достаточной степени подавлены лучи, выходящие вне угла излучения в главной поперечной плоскости. Результаты расчётов см. в табл. Расчётные КСС хорошо согласуются с реальными данными. Расчёт55 ные КПД отражателей также близки к реальным. КПД рассмотренных светильников существенно выше, чем у традиционных в, и их КСС лучшие из ранее достигнутых. 8. Заключение Для создания комфортной световой среды разработана трёхмерная схема расчёта отражателей компактных светильников. С помощью соответствующей программы произведён трёхмерный расчёт новых оригинальных отражателей компактных светильников, способных с высокой точностью обеспечивать требуемые КСС при одновременно высоких, от 71 до 89 %, собственных КПД. При этом КПД этих расчётных светильников, достигающие 89 %, существенно выше, чем у традиционных, при лучших, чем у существующих светильников, КСС. Для обеспечения компактности конструкции выбранная ширина этих светильников составляла око- ло 18 см, а высота – не более 6,5 см. Кроме того, доля способного создавать блёскость светового потока, идущего за пределами вертикального угла 60 о (рис. 1), составляла не более 2,5 % от светового потока лампы (несмотря на ограничения, накладываемые как шириной, так и высотой отражателя). Этот небольшой паразитный световой поток существенно меньше, чем у светильников с традиционными отражателями. Неравномерный прирост яркости поверхности лампы следует учитывать при точном фотометрическом моделировании отражателей светильников в тех случаях, когда при точном расчёте КСС многократными отражениями между поверхностями отражателя и лампы нельзя пренебрегать. Расчётные КСС, полученные с учётом указанного неравномерного распределения яркости, которое было рассчитано с помощью нового алгоритма, использующего метод трассировки лучей лучей, хорошо согласуются с реальными, при- чём расчётные КПД светильников, которые трудно рассчитывались традиционными методами, также близки к реальным. Некоторые адекватно рассчитанные отражатели светильников предполагается реализовать, и применять там, где параметры КСС, КПД светильника и уровень его блёскости играют важную роль в создании комфортной световой среды. Коичи Икеда (Koichi Ikeda), доктор наук (Токийский технический институт, 1971). Почётный член и консультант Светотехнического института Японии. Президент Комиссии по международным связям Поздравляем с юбилеем! Ðåäàêöèÿ, ðåäêîëëåãèÿ, êîëëåãè ïî ðàáîòå, äðóçüÿ ïîçäðàâëÿþò âåäóùåãî íàó÷íîãî ñîòðóäíèêà ÎÎÎ «ÂÍÈÑÈ», êàíäèäàòà òåõíè÷åñêèõ íàóê Галину Николаевну Гаврилкину ñ þáèëååì è æåëàþò åé çäîðîâüÿ, ñ÷àñòüÿ è âñåãî ñàìîãî äîáðîãî 56 «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Оптимизация технологического процесса облучения в АПК по минимуму энергоёмкости С.А. РАКУТЬКО 1 логическую энергоэффективность [1, 2]. В связи с этим ниже описывается попытка создания общей методологии оптимизации оптических ЭТП – а именно технологических процессов облучения (ТПО) 2 – по минимуму энергоёмкости (см. также [3]). Санкт-Петербургский государственный аграрный университет Аннотация В статье рассмотрены энергетические характеристики технологического процесса облучения (ТПО) как важнейшего вида энерготехнологических процессов в агропромышленном комплексе (АПК). Тема статьи полностью совпадает с её названием. При этом именно энергоёмкость является определяющим фактором конкурентоспособности производимой сельхозпродукции. Ключевые слова: АПК, энерготехнологический процесс (ЭТП), технологический процесс облучения (ТПО), энергоёмкость, энергосберегающее управление. 1 1. Введение При переходе к рыночным отношениям в нашей стране применение ряда электротехнологий в АПК, и прежде всего оптического облучения, существенно сократилось. Одним из стратегических путей преодоления постсоветских кризис1 По материалам 6-й Международной светотехнической конференции стран Тихоокеанского региона LUX PACIFICA 2009, 23-25 апреля 2009 г., Бангкок. E-mail: sergej1964@yandex.ru ных явлений в АПК служит повышение технического и технологического уровня производства, внедрение энерго- и ресурсосберегающих агротехнологий. Подавляющее большинство технологических процессов в АПК можно рассматривать как энерготехнологические процессы (ЭТП) – процессы, основанные на преобразовании энергии на их входе, в продукцию на их выходе. При этом повышение энергетической эффективности оптических ЭТП в АПК по сравнению с другими ЭТП – наиболее наукоёмкая задача. К настоящему времени исследованиями по фундаментальным и прикладным аспектам электрификации АПК (Л.К. Алфёрова, В.Н. Карпов, Н.Ф. Кожевникова, О.Ю. Коваленко, С.А. Овчукова, Л.Б. Прикупец, Г.С. Сарычев, И.И.Свентицкий, Ф.Я. Сидько, А.А. Тихомиров и др.) решён ряд теоретических и прикладных задач по использованию оптического излучения (ОИ) в производстве животноводческой и растениеводческой продукции. Основная направленность сегодняшних исследований в этой области касается вопроса движения потока энергии на всех этапах её преобразования, определяющих общую техно- 2. Общая методология Под ТПО здесь, с учётом [4], понимается совокупность процессов: генерации излучения источником излучения (ИИ); создания требуемых спектральных характеристик излучения; обеспечения требуемого пространственного светораспределения указанного излучения, распределения последнего по облучаемому объекту (ОО) и требуемого временного изменения параметров облучения. В общем виде преобразование энергии может быть представлено последовательностью следующих этапов (рис. 1): I – подвод электроэнергии к ИИ; II – генерация излучения ИИ; III – спектральная коррекция излучения ИИ отражателем; IV – формирование пространственного светораспределения; V – формирование поверхностного распределения излучения по ОО; VI – поглощение и преобразование ОО излучения. В силу особенностей ТПО его этапы практически «одновременны». Физическими границами указанных этапов являются следующие элементы энергетической системы: схема электропитания, ИИ, облучательная арматура, окружающая среда, поверхность ОО. Каждый этап характеризуется своим параметром: потребляемой мощностью; генерируемым и отражаемым потоками излучения (эффективными); пространственным светораспределением; распределением освещённости по ОО и количеством фотопродукта (продукта ТПО). Для ЭТП (и ТПО, в частности) обобщённый параметр, характеризующий эффективность передачи энергии на i -ом этапе, – его энергоёмкость εi : 2 Рис. 1. Этапы технологического процесса облучения: 1 – источник электрического питания; 2 – источник излучения; 3 – облучатель; 4 – облучаемый объект «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Облучение нередко рассматривается лишь как один из факторов других технологических процессов в АПК – выращивание животных, культивирование растений и др. Однако в связи с его важностью облучение целесообразно выделить в отдельный технологический процесс. 57 Таблица Результаты оценки коэффициентов эффективности энергосберегающих мероприятий (ЭСМ) на различных этапах технологического процесса облучения растений (для типичных условий светокультуры растений) ЭСМ № этапа (i) kiэсм , отн. ед I Стабилизация условий электрического питания 1,60 II Выбор энергоэффективного источника излучения 1,30 III Оптимизация спектральных отражающих свойств облучателя 1,10 IV Оптимизация светораспределения облучателя 1,50 V Улучшение компоновочного решения облучательной установки (с данными облучателями) 1,15 VI Максимизация эффективности восприятия объектом облучения энергии излучения 1,05 Коэффициент эффективности ЭСМ для ТПО в целом кэсм= 4,14 вать εi как отношение значения некоторой величины с размерностью Мн, i, пропорциональной Qн,i , к значению некоторой величины с размерностью Мк, i, пропорциональной Qк,i . (Размерность εi при этом равна Мн, i / Мк, i.) Cнижение εi – задача энергосберегающих мероприятий (ЭСМ). Коэффициент эффективности ЭСМ для i -го этапа (безразмерная величина) kiэсм = εiб , εiэсм где εiб и εiэсм – энергоёмкости этапа в базовом варианте его проведения и после проведении ЭСМ соответственно. Коэффициент эффективности для последовательности n этапов (то есть для всего ТПО) Рис. 2. Пример энергетических характеристик технологического процесса облучения εi = Qн,i Qк,i i =1 , (1) где Qн,i и Qк,i – значения энергии на входе и выходе i-ого этапа соответственно. Особый интерес представляет рассмотрение выделенного пунктиром на рис. 1 участка движения энергии в ТПО, который можно cчитать виртуальным (непосредственно не связанным с элементами энергетической системы) энергетическим блоком. Для ТПО, с учётом его особенностей, вычисление εi по формуле (1) затруднительно. Поэтому будем тракто58 n k эсм = ∏ kiэсм . Теоретическим обоснованием рассмотренных положений является разработанная автором прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП), на основе которой возможны проектирование и оценка эффективности отдельных ЭСМ, обоснование режима проведения ТПО и создание энергосберегающего алгоритма управления [5]. Далее, для многих ЭТП в АПК прослеживается следующая причинноследственная связь: значение подводимой энергии (Q ) → характерный параметр энергетического воздей- ствия на живой организм-объект производства ( X ) → количество продукции ( P ). В любом ЭТП происходят также потери энергии ( ΔQ ). В случае ТПО в светокультуре растений данная цепочка конкретизируется так: энергия на создание режима облучения (Q ) → энергетическая освещённость в контрольных точках теплицы ( X ) → урожайность облучаемых растений ( P ). На рис. 2, на основе ряда предшествующих работ автора, приведены характерные для светокультуры растений относительные зависимости P и энергоёмкости ТПО ε от X и X от Q . Из рисунка следует, что с увеличением Q растёт X, а максимум P соответствует точке «А». Оптимальный же по энергозатратам – режим, соответствующий точке «В» (минимум ε ). Подобное также характерно для отдельных этапов ТПО. И с учётом этого задачей оптимизации ТПО является минимизация энергоёмкости его отдельных этапов (то есть εi ). С учётом вышесказанного, значения εi , по которым производилась численная оценка эффективности ЭСМ для ТПО растений в условиях светокультуры, нами (поэтапно) рассчитывались следующим образом. I этап. Реальные условия эксплуатации ИИ характеризуются значительными отклонениями условий их питания от номинальных. При повышении питающего напряжения возрастает мощность и снижается срок службы ИИ. ЭСМ на данном этапе заключается в стабилизации питающего напряжения. При этом соответствующая энергоёмкость этапа «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 εI = 1 n ∑ m =1 pm kUqФ kUqT m m , где n – число интервалов разбиения гистограммы отклонений напряжения pm , характеризующей распределение вероятности значений коэффициента отклонения напряжения kU m 3; qФ и qТ – показатели, характеризующие чувствительность коэффициентов отклонения эффективного потока излучения и срока службы ИИ 3 от kU m . II этап. Энергоёмкость этапа – величина, обратная эффективной отдаче ИИ: ε II = Pии Фии , где Pии – мощность, потребляемая ИИ, Вт; Фии – эффективный поток ИИ, эфф. ед. Соответственно ЭСМ на этом этапе заключается в обоснованном выборе наиболее энергоэффективного ИИ из предлагаемых на рынке. III этап. ЭСМ на данном этапе заключается в использовании такого отражателя в облучателях, который наилучшим образом производит спектральную коррекцию излучения ИИ. Эффективность данного этапа определяется кривой спектрального коэффициента отражения отражателя ρ (λ). Энергоёмкость этапа. ∞ ε III = ∫ Ф (λ ) ⋅ s (λ ) ⋅ d λ 0 ∞ ∫ Ф (λ ) ⋅ ρ (λ ) ⋅ s (λ ) ⋅ d λ . 0 где Ф(λ ) – спектральная плотность потока излучения ИИ; s(λ ) – относительная спектральная чувствительность ОО. IV этап. На данном этапе происходит передача потока энергии от облучателя к ОО. ЭСМ заключается в применении облучателя с таким пространственным светораспределением I (θ ,ϕ ) , которое обеспечивает наибольшую долю передаваемого на ОО эффективного потока облучателя. Энергоёмкость этапа ε IV равна от3 Отношение фактического значения данной величины к номинальному «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 ношению полного эффективного потока облучательной установки (ОУ), с данными облучателями, Фоу к падающему на ОО эффективному потоку ОУ Фоо. V этап. ЭСМ на данном этапе заключается в оптимизации компоновочных решений ОУ. Энергоёмкость этапа εV равна отношению Фоо к эффективному потоку ОУ, создающему для ОО условия облучения требуемого качества Фоо . VI этап. Максимизация эффективности восприятия ОО энергии излучения ОУ – задача ЭСМ на данном этапе. Энергоёмкость этапа εVI = Фоо Р . Численные оценки по предложенной методике показали, например (табл.), что наибольший эффект в энергосбережении при облучении растений может давать стабилизация режима электрического питания. (При этом совокупность рассмотренных ЭСМ повышает эффективность использования энергии в 4,14 раза.) Безусловно, для полноты экономической оценки эффективности конкретных ЭСМ необходимо ещё учитывать затраты на сами ЭСМ, поскольку представленная методика касается только энергетических аспектов ТПО [6]. 3. Энергосберегающее управление технологическими процессами облучения Рис. 3. Схема энергосберегающей системы управления технологическим процессом облучения метра энергетического воздействия на живой организм-объект производства X . Задатчик моментов времени 5 с некоторым интервалом выдаёт метки времени, в соответствии с которыми измеряются Qн и Qк , а в блоках 7 и 9 вычисляются, соответственно, мгновенные значения Qн и Qк . В блоке 8 производится определение мгновенного значения ε в задаваемые моменты времени при текущем значении X . В блоке 10 по результатам анализа динамики изменения ε до текущего момента времени производится прогноз её значения ε ′ на следующий момент времени. В блоке 11 производится принятие решения о необходимости изменения энергетического режима объекта управления 3. Соответствующий сигнал подаётся на указанный блок 1 [7]. 4. Заключение Представляет интерес разработка энергосберегающей системы управления ТПО. Задача управления – поддержание минимального значения энергоёмкости ТПО (ε) в любой момент времени. Наиболее перспективной представляется система, минимизирующая ε по результатам постоянного мониторинга параметров ТПО (рис. 3). Она работает следующим образом. На вход объекта управления 3, под которым может подразумеваться как ТПО в целом, так и его отдельный этап, через блок автоматизированного управления этим объектом 1 подаётся энергия Qн (через блок её измерения 2). Выходная энергия Qк из блока 3 проходит через блок её измерения 4. На выходе блока 6 формируется значение характерного пара- Оптические электротехнологии (ОЭТ) играют важную роль в АПК, но свойственные им большие энергетические потери обуславливают их высокую энергоёмкость, создавая соответствующую важную научную проблему. Видовые особенности реакции различных объектов АПК на воздействие оптического излучения (ОИ) и наличие различных несравнимых между собой схем применения ОИ затрудняют анализ физико-химических и фотофизических реакций, происходящих в облучаемых объектах. Рассмотрение особенностей ОЭТ позволяет выделить собственно технологический процесс облучения (ТПО), который может быть представлен в виде последовательности этапов преобразования энергии. 59 Разработанные на основе прикладной теории энергосбережения общая методология и частные методики «энергетического» анализа этапов ТПО позволяют намечать и численно оценивать эффективность отдельных энергосберегающих мероприятий. При этом на любом этапе ТПО основным критерием энергоэффективности этапа является его энергоёмкость. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Карпов В.Н. Энергосбережение: метод конечных отношений. – СПб: Карпов, 2005. 138 с. 2. Ксенз Н.В. Энергосбережение в сельскохозяйственных технологиях // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2005. – № 3. – С. 21–22. 3. Ракутько С.А. Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий в электротехнологиях оптического облучения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – № 11. – С. 31–33. 4. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Знак, 2006. 972 с. 5. Ракутько С.А. Общие принципы энергетического анализа прикладной теории энергосбережения и их практическое применение // Энергетический вестник: Сб. науч. тр. – СПб: СПбГАУ, 2009. – С. 90–96. 6. Ракутько С.А. Энергоёмкость как критерий оптимизации технологических процессов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – № 12. – С. 54–56. 7. Ракутько С.А. Система энергосбережения в энерготехнологических процессах // Заявка № 2008128805 (035541) на патент России на изобретение. Заявл. 14.07.08. Решение о выдаче патента от 27.02.09. Ракутько Сергей Анатольевич, кандидат технических наук. Окончил в 1987 г. Благовещенский сельскохозяйственный институт. Профессор Дальневосточного государственного аграрного университета, г. Благовещенск. Докторант СанктПетербургского государственного аграрного университета. 60 ЦИРКУЛЯР ДЛЯ ВСЕХ ЧЛЕНОВ И ОТДЕЛЕНИЙ МКО Как вам уже, вероятно, известно, на встрече в Будапеште в прошлом месяце Генеральная Ассамблея МКО приняла несколько важных решений, которые в ближайшие годы окажут значительное влияние на нашу организацию. Эти решения были инициированы юридическими, финансовыми и налоговыми проблемами, потребовавшими внесения изменений в Устав МКО, чтобы полностью привести организацию в соответствие с требованиями законодательства и нормативных документов, относящихся к организациям, подобным МКО, в стране их регистрации (Австрия). Одним из таких изменений является статья Устава, разрешающая передать часть приносящей доход деятельности, особенно публикаций и конференций, и основную часть их суммарных резервов самостоятельному коммерческому подразделению, подлежащему налогообложению, которое должно именоваться ООО Научные Службы МКО (CIE Scientific Services GmbH) (компания с ограниченной ответственностью, на 100 % являющаяся собственностью МКО). Этот шаг не только позволяет нам разрешить некоторые проблемы, связанные с требованиями законодательства и налогообложения, но и ориентирует МКО на рост вышеупомянутых приносящих доход видов деятельности, без опасений, что другая часть МКО (некоммерческая организация, какой мы её знаем) потеряет свой безналоговый статус в Австрии. Если такой рост будет достигнут, уменьшится зависимость МКО от членских взносов, величина которых вызывает озабоченность некоторых стран-участниц МКО. Вам будет интересно узнать, что регистрация ООО Научные Службы МКО (CIE Scientific Services GmbH) уже завершена и что Центральное Бюро занимается планированием и запуском новой структуры под руководством Административного Совета. В свете вышеизложенного, вы поймёте, что запланированная нами на 2010 год конференция «Качество освещения и эффективное использование энергии» (http:// vienna2010.cie.co.at) явится событием решающей важности для новой МКО. Административный Совет уже отметил это обстоятельство на своей встрече в Вене в сентябре 2008 года при условии, что Генеральная Ассамблея одобрит предлагаемые изменения Устава в мае 2009 года. Поскольку в настоящий момент такое одобрение получено, конференция 2010 года станет, надо надеяться, первым из значительных событий, которые мы хотели бы регулярно организовывать в будущем с помощью компании ООО Научные Службы МКО (CIE Scientific Services GmbH). Если конфе- ренция пройдёт так успешно, как нам хотелось бы надеяться, МКО станет играть ту ключевую роль в международном масштабе по вопросам качества освещения и энергосбережения, которая по праву должна принадлежать МКО, но всё ещё не признана многими другими влиятельными деятелями упомянутой области. Мы надеемся пригласить всех их участвовать в нашей конференции и издать Труды конференции, которые впредь станут источником справочной информации по данной тематике для всех национальных, региональных и международных проектов в данной области. Конференция покажет нам также, какой финансовый потенциал имеют такие события в аспекте получения дохода, и какие дополнительные меры мы должны предпринять, чтобы преуспеть в этой деятельности. Учитывая важность конференции, я призываю всех членов МКО и все отделения МКО сделать всё возможное, чтобы содействовать её проведению. Я прошу членов рекламировать конференцию и содействовать её проведению посредством публикаций в национальных изданиях, прессе и веб-сайтах, а также использовать специальные акции для оповещения всех деятелей, имеющих отношение к сфере освещения и энергосбережения (включая электроэнергетику общего пользования, городские советы, правительственные учреждения и неправительственные организации), направить делегатов и представить устные или стендовые сообщения. Также я настоятельно рекомендую всем отделениям МКО обеспечить высокий приоритет этому событию посредством информирования их членов (в циркулярах, газетах, веб-сайтах), проведения конференций в своих организациях, рабочих или учебных встреч во время или в ожидании этого события, а также выдвижения квалифицированных, авторитетных докладчиков. Прошу директоров отделений любезно сообщить о планируемых или проведённых их отделениями специальных акциях в направленных мне сообщениях по e-mail (направьте, пожалуйста, копии Генеральному секретарю и председателю конференции от национального комитета) к концу июля 2009 года. Технический вице-президент профессор Шанда также заявил, что он в свою очередь будет контактировать с директорами отделений по данному вопросу до установленного срока завершения данного проекта. Доктор Ф. Хенгстбергер Президент 26 июня 2009 г. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Новейшие достижения в области создания и применения белых светодиодов ХАДЖИМУ НАКАМУРА1 Светотехнический институт Японии Аннотация Даются краткие описания истории развития светодиодов (СД) и тех характеристик СД, которые превосходят характеристики обычных источников света. Приводятся разновидности СД, описывается получение белого излучения СД, даётся определение их срока службы и др. Так как с улучшением характеристик СД сильно расширилась область их применения в освещении, сообщается о светильниках с СД, применяемых для освещения товаров, ландшафтного освещения и др. Говорится о внутренней и наружной световых средах, обеспечиваемых при помощи осветительного оборудования с СД. Демонстрируется метод расширения применения освещения белыми СД и указываются перспективы развития СД, включая и органические СД. Ключевые слова: белый СД, освещение светодиодами, светильник, развитие СД. 1 1. Введение Светодиод (СД) представляет собой полупроводник с p-n-переходом, непосредственно излучающим свет при прохождении через него электрического тока. В 1960-х гг. были разработаны СД, излучающие красный свет, вслед за которыми были созданы жёлто-зелёные и оранжевые СД. После 1990-х гг. были разработаны и выпущены на рынок голубые, зелёные и белые СД. Они использовались в устройствах индикации включения и выключения электрических приборов, в оборудовании для демонстрации цифровой информации автомобилистам и пешеходам и в качестве 1 62 По материалам доклада на 6-й Международной светотехнической конференции стран Тихоокеанского региона LUX PACIFICA 2009, 23–25 апреля 2009 г., Бангкок. E-mail: hajimu2951@yahoo.co.jp Перевод с англ. Е.И. Розовского. источников инфракрасного излучения. Эти источники предназначались для систем дистанционного управления, для охранной сигнализации и т. д. Разработанные в то время СД остаются незаменимыми источниками света (ИС) и в настоящее время. Эти СД стали важными ИС в повседневной жизни, причём область их использования весьма расширилась. В последнее время благодаря непрерывному возрастанию светового потока белых СД постоянно расширяется и их использование во внутреннем и наружном освещении. Ожидается, что по мере достижения всё больших значений светового потока и световой отдачи применение белых СД в осветительной технике будет непрерывно расширяться. СД имеют целый ряд преимуществ перед другими ИС, такими как ЛЛ, ЛН и РтЛВД. Например, СД имеют большой срок службы. Световой поток СД в процессе работы спадает, но вероятность его внезапного исчезновения крайне мала. СД имеют меньшие по сравнению с другими ИС размеры. Их можно питать от низковольтных источников электроэнергии. Они способны работать с весьма малой мощностью. СД могут мигать с высокой частотой при пульсирующем питании. Широтная импульсная модуляция (ШИМ) позволяет легко регулировать освещённость от них. С помощью СД можно получать квазимонохроматиче- ский свет. (Так что, используя свыше одного СД, можно получать только требуемый спектральный диапазон излучения.) В СД видимого света полностью отсутствует инфракрасное излучение. (И следовательно, они не нагревают освещаемые объекты.) Благодаря большой яркости СД, легко можно добиваться хорошей видимости. Световая отдача СД не снижается при низких температурах, как у разрядных ламп. 2. Основные особенности светодиодов 2.1. Характеристики СД можно классифицировать по цвету излучаемого ими света, материалу, форме, потребляемой мощности и т. д. На рынок выпущено много разновидностей СД видимого диапазона, излучающих свет различных цветов. Присутствуют также и СД ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Так как спектральный состав излучаемого СД света сосредоточен в узком диапазоне длин волн, то белый свет не может излучаться отдельно взятым СД. Способ генерации белого света заключается в том, что белый СД содержит полупроводниковый элемент и люминофор. Смесь голубого света этого элемента и жёлтого света люминофора формирует белый свет. Второй способ состоит в том, что СД содержит три полупроводниковых элемента – красного, голубого и зелёного света. В Японии срок службы светодиодных ламп определяется как время наработки до того момента, пока световой поток не снизится до 70 % от своего начального значения. В настоящее время это около 40000 ч, как показано на рис. 1. Срок службы СД, Рис. 1. Временная зависимость светового потока светодиодных ламп [1] «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 предназначенных для демонстрации на экране и индикации, соответствует спаду светового потока до 50 % от начального. Рабочий ток СД, используемых для дисплеев, индикаторов и т. д., составляет примерно 20–30 мА. Мощность при этом не превышает 0,1 Вт. Эти СД называют стандартными СД, а работающих при токах более 300 мА и потребляющих более 1 Вт называют мощными СД. Так как отдельно взятый СД излучает мало света, то в случаях, когда требуется света много, общепринято сочетать и использовать большое количество СД. Так как в этом случае при большом количестве СД генерируемое ими тепло приводит к возрастанию температуры даже при малой мощности отдельного СД, то, как следствие, это приводит к снижению световой отдачи и уменьшению срока службы. Поэтому при совмещении большого числа СД и возрастании температуры требуется обеспечивать воздушное охлаждение за счёт использующей теплопоглотитель воздуходувки или при помощи вентилятора и т. д. Так как мощные СД также обладают высокой теплотворной способностью, то вопрос отвода тепла необходимо решать и в их случае. 2.2. Этапы производства Как показано на рис. 2, процесс производства осветительных приборов с СД состоит из четырёх этапов, а именно: изготовление кристалла, корпусирование, изготовление модуля и изготовление светильника. Кристалл СД представляет собой небольшой полупроводниковый элемент, подобный кубику, который вырезается из пластины. 3. Применение СД 3.1. Внутреннее и наружное освещение Так как размеры СД меньше, чем у ЛЛ, ЛН и т. д., то дизайнер может размещать большое количество СД в небольшом объёме и формировать установку произвольной формы. Белые СД начинают применяться с целью получения конфигураций, отличных от возможных в случае обычных ИС. На рис. 3 показаны установленные на потолке тонкие и маленькие светильники. Для обеспечения уров«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 2. Этапы производства осветительных приборов со светодиодами [1] ня освещения, эквивалентного получаемому при использовании обычных ИС, конструкторы обычно помещают в светильник большое количество белых СД. Если использовать лишь небольшое количество светильников с СД, то можно концентрировать свет при помощи линз и обеспечивать высокие уровни освещения в отдельных точках. Подобные светильники можно использовать (при сниженной яркости) не только для дополнительного, но и для общего освещения. пляется такими важными особенностями, как долговечность, простота в обращении и т. д., то есть тем, что необходимо прикроватному источнику света. Потолочное и нижнее освещение работающими в больнице всю ночь светильниками с СД может экономить больше энергии, чем при использовании обычных ИС. Это освещение может обеспечивать безопасную среду для перемещения и чувство защищённости в ночное время. 3.1.3. Ландшафтное освещение 3.1.1. Освещение товаров Благодаря своим малым размерам светильники направленного света с белыми СД могут располагаться рядом с выставленными на витрине товарами, чтобы выделить последние в магазине. Так как ультрафиолетовые и инфракрасные лучи вряд ли присутствуют в спектре белых СД, то выставленные на витрине товары практически не повреждаются. Что касается потолочных светильников с СД, то диаметр отверстия, требующегося для заглубления такого светильника в потолок, меньше требуемого в случае обычных источников света. Так что эти светильники не бросаются в глаза, благодаря чему выставленные товары демонстрируются «сами по себе». 3.1.2. Больничное освещение Прикроватный светильник с СД консольного типа используется медработниками при уходе за пациентами в палатах и самими пациентами для чтения. Так как наличие инфракрасного излучения маловероятно, то пациент не ощущает нагрева от прикроватного светильника. Это подкре- Светильники часто размещают высоко на внешней стороне здания. Обслуживание соответствующей осветительной установки требует больших временных и трудовых затрат. В этом случае СД является подходящим ИС, так как имеют большой срок службы, и замена светодиодных ИС происходит нечасто. По той же причине СД используются в качестве ИС для грунтовых и других наружных светильников. 3.1.4. Светильники как элемент здания В ответ на пожелания строителей и дизайнеров было разработано осветительное оборудование с СД, которое может использоваться в качестве элемента здания. Это оборудование применимо в зданиях сложной конфигурации, где трудно производить замену ламп, и в высокорасположенных местах, где затруднено техническое обслуживание. Его можно также устанавливать при наличии пространственных ограничений, когда применение обычных источников света затруднено из-за их больших размеров. 63 Рис. 3. Установленные на потолке светильники со светодиодами [1] 3.1.5. Изменение цвета излучения Излучаемый СД свет трёх основных цветов – красного, зелёного и голубого – может смешиваться, причём результирующий цвет легко изменяем путём регулировки интенсивности каждой из этих составляющих. Яркость и цветовой тон этого света можно менять, управляя токами СД посредством помещённой в компьютерную систему программы. Ритмичное изменение цвета может доставлять приятные ощущения. 3.2. Освещение на транспорте В нашей повседневной жизни на автомобильных и железных дорогах превалируют дорожные огни с СД. Направляющие огни с СД используются на кривых участках скоростных дорог для облегчения вождения в ночное время. Эти огни могут обеспечивать хорошую видимость даже при наличии тумана, равно как и ощущение безопасности вождения. Огни на пешеходных дорожках играют роль направляющих в парках и пешеходных зонах, обеспечивая яркость, требуемую для безопасной ходьбы или бега трусцой. 3.3. Автономное наружное освещение Под этим освещением подразумевается освещение, обеспечиваемое сочетанием СД, солнечной батареи и аккумуляторной батареи. В этом случае не требуется электропроводка для подведения электроэнергии. 64 Рис. 4. Освещение светодиодами холла отеля [1] При нарушении энергоснабжения в результате природного катаклизма, землетрясения и т. д., подача электроэнергии прерывается, и становится невозможным обеспечивать эвакуационное освещение, необходимое для покидания опасных мест. Это освещение может также выступать в качестве аварийного при перебоях в подаче электроэнергии. 3.4. Визуальное представление информации чать большие световые потоки и с лёгкостью миниатюризировать оборудование, то наблюдается непрерывное увеличение числа попыток использования СД для выращивания овощей. Существуют также светодиодные рыболовные лампы, являющаяся одним из применений оптических приборов в рыболовстве. Причём как бортовые, так и подводные. СД также начали применяться в маяках. 3.6. Медицинское оборудование Плоский светодиодный дисплей большой площади, способный свободно отображать цвета в соответствии с желаемым, был внедрён в практику в 1994 г. С тех пор подобное применение СД непрерывно расширялось благодаря их растущим с каждым годом долговечности, дешевизне, лёгкости и светоотдаче. Почти все устанавливаемые в настоящее время дисплеи размером более 100´´ (254 см) состоят из СД. 3.5. Овощеводство и рыболовство Хотя лучистая энергия на различных длинах волн и воздействует на земные растения в виде солнечного света, растения используют не всю эту энергию. Применяя СД в качестве ИС в выращивании овощей, можно облучать овощи только на тех длинах волн, которые эффективно способствуют их росту, исключая при этом излучение на длинах волн, которые плодотворного воздействия не оказывают. Так как близким расположением источников излучения можно полу- Благодаря своим малым размерам СД могут использоваться в качестве ИС в гастроэндоскопах, в хирургических операционных светильниках и т. д. 4. Применение светодиодов Известно много применений СД во внутреннем и наружном освещении. Например, ландшафтное освещение, наружное освещение общественных мест, подводное освещение, ювелирные магазины, рестораны и т. д. Одно из таких применений показано на рис. 4. 5. Направления развития светодиодов 5.1. Развитие и применение белых светодиодов в освещении В настоящее время основными ИС, применяемыми в Японии для внутреннего общего освещения, являются ЛЛ. Поэтому для внедрения белых СД в общее освещение требу«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 та. Эта оптическая связь (между СД и компьютерным оборудованием) будет реализована в будущем. 6. Заключение Рис. 5. Прогнозирование увеличения световой отдачи [2] ется улучшить большое число характеристик этих СД, с тем чтобы они реально работали так же хорошо, как и ЛЛ. Особенно необходимо обеспечить высокую световую отдачу, увеличить световой поток, уменьшить стоимость, увеличить индекс цветопередачи и т. д. Прогноз увеличения световой отдачи СД показан на рис. 5. Он был сделан на основе результатов опроса японских производителей СД. Показанные «лм/Вт» не включают в себя потери мощности в схемах питания. Соответствующие мероприятия должны состоять в следующем: • Формирование большого светового потока: В случае обычного освещения требуются световые потоки ИС в тысячи лм. Предполагается создать эффективный большой светодиодный модуль с большим числом СД и, кроме того, достичь высокой световой отдачи СД и увеличения размеров кристаллов. Потребуется также усовершенствовать процесс отвода тепла от СД и повысить квантовый выход излучения кристаллов СД. • Удешевление: Если белые СД будут дороже ЛЛ, которые являются основными ИС в обычном освещении, то это затруднит их распространения. Необходимо уже вначале определиться с уровнем той стоимости, при которой распространение СД начнёт расширяться. Для этого незаменимо сотрудничество специалистов в областях полупроводниковой техники и светотехники. • Повышение индекса цветопередачи: Основные используемые в настоящее время белые СД представляют собой сочетание голубого кристалла с жёлтым люминофором. Общий индекс цветопередачи Ra в этом слу«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 чае примерно равен 80, что ниже, чем у ЛЛ. Частный индекс цветопередачи R9 у СД существенно ниже, чем у ЛЛ, что обусловлено различием относительных спектров излучения. Поэтому качество цветопередачи белых СД необходимо улучшать. 5.2. Органические светодиоды (ОСД) Принцип генерации света в ОСД напоминает таковой в случае СД. Предполагается использование ОСД в плоских дисплейных экранах следующего поколения и в тонких плоских ИС. Тонкие и большие ИС на основе ОСД интенсивно исследуются и разрабатываются в целях их светотехнического применения. ОСД уже начинают применяться в небольших экранах, как у сотовых телефонов, карманных плейеров и автонавигаторов. Выпущен на рынок и цветной телевизор, в котором используются ОСД. 5.3. Оптическая связь Беспроводная связь в помещениях в настоящее время осуществляется посредством радиоволн, инфракрасного излучения и т. д. Улучшение характеристик белых СД может сделать пригодным для беспроводной связи и видимый свет. СД способен мигать миллионы раз в секунду. Посредством мигания информация в видимом свете передаётся от расположенного в помещении осветительного прибора на персональный компьютер. Так как передаваемые СД в осветительном приборе импульсные сигналы представляют собой видимый свет, то они не портят медицинское оборудование и т. д. Беспроводная связь становится возможной путём введения в осветительный прибор дополнительного элемен- Очень важно сохранять на Земле нормальную окружающую среду, обеспечив менее интенсивное усиление глобального потепления. В светотехнической отрасли снижение энергопотребления и экономия ресурсов должны достигаться внедрением новых ИС, схем их питания и светильников, а также новых способов применения ИС, для чего необходимо понимать их особенности. СД, несомненно, стали подходящими для этой роли, так как благодаря своему заметному развитию они вскоре способны продемонстрировать лучшие по сравнению с обычными ИС характеристики. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Panasonic Electric Works Co., Ltd. URL: http://denko.panasonic.biz/Ebox/everleds/l ed/ index.html. 2. Technical progress in white LED/ Japan LED Association, april 2008. Хаджиму Накамура (Hajimu Nakamura), доктор технических наук (Ашикагский технический институт, Япония, 2001). Лектор с неполной нагрузкой в Университете Кобе и Сетсунанском университете. Член Светотехнического института Японии. Вице-председатель Международного организационного комитета LUX PACIFICA 65 Измерения и расчёт яркости адаптации в подъездной зоне туннелей ХАЙАТО ИТО, СЕЙДЖИ КОБАЯСИ 1, МАСАКАЦУ НАГАИ, АКИО ОКАДА, ЮНДЖИ ЯМАМОТО Компании West Nippon Expressway Engineering Chugoku Co., Ltd, West Nippon Expressway Co., Ltd и Panasonic Electric Works Co., Ltd, Япония Аннотация Проведено обследование туннелей автомагистралей с различной ориентацией въездных порталов, цель которого состояла в непрерывном измерении яркости адаптации в подъездных зонах туннелей (L20). Обследовано рабочее состояние туннелей. Оказалось, что использующиеся при проектировании значения L20 и уточнённые результаты измерений L20 практически совпадают для 7-ми туннелей из 10-ти. Для остальных 3-х туннелей расхождение лежит в пределах ±20 %. Что касается относительной продолжительности работы осветительных установок (ОУ) въездных зон туннелей, то результаты обследования очень близки к оценочным для облачной погоды и не очень близки для ясной погоды. Значения L20, используемые при проектировании ОУ въездных зон туннелей, должны совпадать со значениями, используемыми для управления этими ОУ, и выбор адекватных осветительных приборов должен базироваться на реальных значениях L20. Ключевые слова: туннель, освещение, въездная зона, подъездная зона, яркость адаптации, продолжительность работы. 1 ния освещением въездных зон действующих туннелей. Если исключить случаи реконструкции ОУ, то L20, которая используется при проектировании ОУ въездных зон туннелей, часто оценивается на основе принципиальной схемы въездной зоны и туннеля, и зачастую далека от реальной. Поэтому после монтажа осветительного обору2 Международная комиссия по освещению определяет наружную яркость адаптации как среднюю яркость конуса обзора с 20-градусным углом раскрыва и осью, проходящей через центр въездного портала, находящегося на расстоянии, равном пути торможения. Принятое в Японии определение отличается тем, что L20 соответствует расстоянию 150 м от въездного портала туннеля независимо от проектной скорости движения транспорта. 1 66 По материалам доклада на 6-й Международной светотехнической конференции стран Тихоокеанского региона LUX Pacifica 2009 23-25 апреля 2009 г., Бангкок. E-mail: s-kobayashi@w-e-chugoku.co.jp Перевод с англ. Е.И. Розовского 2. Ознакомление с уровнем яркости L20 для разных туннелей 2.1. Первый этап В 1980-х гг. проводились измерения L20 для туннелей японских автомагистралей с осуществляемым по уровню L20 управлением освещением въездных зон туннелей [1]. Измерения велись более одного года, а число туннелей равнялось 9-ти. Результаты обследования характеризуются следующим. 1) Как видно из рисунка и табл. 1, соответствующие 95-процентной накопленной частоте значения L20, лежат в интервале 2100–3400 кд/ м 2. (В Японии при проектировании укаТаблица 1 Сравнение L20, соответствующей 95-процентной накопленной частоте её реализации, и типичной (наиболее часто реализующейся) максимальной суточной яркости в июне, июле и августе (кд/ м2) Туннель 1. Введение Осветительные установки (ОУ) въездных зон туннелей проектируются, исходя из яркости в подъездных зонах туннелей (эту яркость называют наружной яркостью адаптации L20)2. L20 используется также для управле- дования и ввода его в эксплуатацию необходимы точные измерения L20 и проверка правильности значения яркости адаптации, использовавшегося при проектировании ОУ въездной зоны туннеля. Кроме того, проверить правильность использовавшегося при проектировании освещения значения L20 можно путём изучения работы ОУ. С учётом этого нами была измерена указанная яркость для нескольких действующих туннелей и проведён анализ полученных результатов. L20, соответствующая 95-процентной относительной накопленной частоте её реализации Типичная (наиболее часто реализующаяся) максимальная суточная яркость Июнь Июль Август A 2700 2900 2400 2900 B 2600 2900 2900 2900 C 3120 3500 3500 3500 D 2600 2900 2900 2400 E 2400 2900 2900 2400 F 2800 2900 2900 2900 G 3400 2900 3500 3500 H 2200 2400 2400 2400 I 2100 2400 2400 2400 «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Таблица 2 Описание обследованных туннелей Подъездная дорога Направление движения Проектная скорость, км/ч Ориентация въездного портала На восток 80 На запад Название туннеля Kinmeiji Kamiumaya Nakamura Tenjinyama Hanagatake Радиус кривой в плане, м Уклон продольного профиля, % Ю 3500 2,3 80 С-С-З 1000 1,1 На восток 100 С-З 1400 от –0,85 до1,03 На запад 100 Ю-В 15000 от 2,6 до –1,1 На восток 100 Ю-З 2000 от –1,7 до 2,0 На запад 100 С-В 3000 0,5 На восток 100 З ∞ 1,1 На запад 100 В 1250 1,3 На восток 100 З 6000 0,7 На запад 100 Ю-В 6000 3,0 Таблица 3 Сравнение результатов ознакомления с L20 и расчётной яркостью адаптации Результат обследования, кд/ м2 Название туннеля Kinmeiji Kamiumaya Nakamura Tenjinyama Hanagatake Направление движения Расчётная величина L20, кд/ м2 Отношение расчётной яркости к скорректированным результатам измерений Результаты измерений Скорректированные результаты На восток 2060 2370 2460 1,04 На запад 2630 3020 2950 0,98 На восток 2170 2500 2500 1,00 На запад 2520 2900 2810 0,97 На восток 2090 2400 2450 1,02 На запад 1900 2180 2670 1,22 На восток 2560 2940 2360 0,8 На запад 2800 3220 2480 0,77 На восток 2700 3100 3040 0,98 На запад 2250 2590 2630 1,02 занных ОУ используются значения L20, соответствующие именно этой накопленной частоте.) 2) L20, реализующаяся более 72-х мин в сутки (5 % от продолжительности суток), названа типичной (наиболее часто реализующейся) максимальной суточной яркостью, и её значение записывалось. Из этих данных отбиралась максимальная для каждого из месяцев L20, получившая название типичной (наиболее часто реализующейся) максимальной суточной яркостью месяца. Из сравнения «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 последней с L 20, соответствующей 95-процентной накопленной частоте видно (табл. 1), что в летние месяцы они почти одинаковы. 2.2. Второй этап По приведённым выше результатам было заключено, что необходимые данные могут быть получены путём измерения L20 в ясные дни летних месяцев (июнь – август) и расчёта типичной (наиболее часто реализующейся) максимальной суточной яр- кости. Поэтому для реальных туннелей регистрировались значения L20, и полученные данные сравнивались со значениями L20, изпользуемыми для проектирования. При этом: • Сведения об обследованных туннелях приведены в табл. 2. • Обследование проводилось 20– 28 сентября 2006 г. (5 суток из 9-ти), причём погода в дневное время была – 2 дня ясно, 3 дня облачно. • Обследование осуществлялось с помощью самописца, подключавшегося к яркомеру для измерения L20, 67 Таблица 4 Яркости участков в конце обследования (кд/ м2) Яркости окружающих портал объектов Яркость небосвода Яркость дорожного покрытия Подпорная стена Дерево Здание Трава На север 13000 4000 2000 1500 2000 2000 На восток/запад 8000 3500 2000 1500 3000 2000 На юг 7000 3000 3000 2000 4000 2000 Ориентация въездного портала Таблица 5 Уровень рабочего состояния осветительных установок въездных зон туннелей ( %) Название туннеля Направление движения Ясно 1 Ясно 2 Облачно 1 Облачно 2 На восток 1,6 10,6 22,5 40,1 На запад 6,9 19,2 30,4 43,7 Tomioka На запад 0,2 9,4 24,0 40,4 Nakamura На восток 3,5 14,5 22,9 39,1 На запад 0,8 10,8 25,8 41,3 На восток 5,1 19,8 30,8 43,6 На запад 6,2 21,6 31,0 43,9 На восток 3,6 18,9 30,3 43,3 На запад 3,9 15,4 26,6 42,9 На восток 0,4 2,5 18,8 38,2 На запад 10,1 19,6 29,8 43,3 3,8 14,8 26,6 41,8 Kamiumaya Tenjinyama Hanagatake Urokawauchi yama Среднее Относительная накопленная частота реализации яркости L20 для 9-ти туннелей (обозначены буквами) устанавливаемому для управления ОУ въездной зоны. • Из данных обследования отбирались соответствующие ясной погоде данные, а из них – значения типичной (наиболее часто реализующейся) максимальной суточной яркости. Затем, поскольку об68 следование проводилось в сентябре, эти данные приводились к данным по L20, соответствующим летнему солнцестоянию. Говоря точнее, рассчитывались освещённости, соответствующие времени проведения обследования и летнему солнцестоянию, и, считая, что освещённость и L20 прямо пропорциональны между собой, полученные в результате обследования значения L20 умножались на 1,15. Указанные выше результаты приведены в табл. 3. В этой таблице расчётные значения L20 – средневзвешенные по площади, занимаемой участками дорожной поверхности, небосвода и наземных объектов в конусе обзора с 20-градусным углом раскрыва. Использованные при расчётах яркости этих участков соответствовали рекомендациям Международной комиссии по освещению с учётом географического положения Японии, и приведены в табл. 4 [2]. Из табл. 3 видно, что расчётная яркость и уточнённые результаты измерений практически совпадают для 7-ми туннелей из 10-ти. Для остальных трёх туннелей расхождение составляло ± 20 %. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Таблица 6 Относительная продолжительность работы осветительных установок въездных зон при разных условиях наружного естественного освещения, определяемая на основе типичной (наиболее часто реализующейся) максимальной яркости Условие наружного ествественного освещения Ясно 1 Ясно 2 Облачно 1 Облачно 2 75 50 25 5 L20, кд/ м2 2250 1500 750 150 Относительная накопленная частота реализации L20, % 88,3 81,7 71,7 56,5 Относительная продолжительность работы, % 11,7 18,7 28,7 43,5 Относительная L20, % Таблица 7 Относительные значения продолжительности работы Условие наружного естественного освещения Ясно 1 Ясно 2 Облачно 1 Облачно 2 Результат обследования 3,8 14,8 26,6 41,8 Результат, полученный на основе рисунка 11,7 18,7 28,7 43,5 3. Уровень рабочего состояния осветительных установок въездных зон туннелей Обследовался уровень рабочего состояния 8-ми из 10-ти туннелей по табл. 3 с добавлением ещё 3-х туннелей. Результаты приведены в табл. 5, в которой данные выражены в процентах, причём за 100 % приняты одни сутки (24 ч). Далее, согласно рисунку, определялась относительная продолжительность работы ОУ въездной зоны при разных условиях наружного естественного освещения. Результаты приведены в табл. 6. В табл. 6 «Относительная L20 » – отношение реального значения L20 к её расчётному значению, использовавшемуся при проектировании ОУ въездной зоны туннеля [3]; значения «L20» получены преобразованием относительной L20 в L20, а «Относительная накопленная частота реализации L20» определялась сравнением L20 с данными по рисунку. В табл. 7 приведены относительные значения продолжительности работы ОУ, следующие из данных по табл. 5 для ОУ въездных зон туннелей и по рисунку. Согласно табл. 7, в условиях «Облачно 1» и «Облачно 2» результаты «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 обследования очень близки к результатам, полученным согласно рисунку. Результаты, соответствующие условиям «Ясно 1» и «Ясно 2» показывают необходимость дополнительных исследований для этих условий. 2. Japan Road Association. Road Lighting Installation Standard – Explanation, 2007 3. West Nippon Expressway Co., Ltd. Lighting Installation Standard Specification, 2006 4. Заключение Значения L20, используемые в проектировании ОУ въездных зон туннелей, должны совпадать со значениями, используемыми для управления освещением въездных зон туннелей, и выбор адекватных осветительных приборов должен базироваться на реальных значениях L20. Кроме того, необходимо должным образом контролировать указанные ОУ, спроектированные по реальным значениям L20, и управлять ими. Для создания таких ОУ въездных зон туннелей, которые повышали бы безопасность дорожного движения и при этом были бы энергоэффективны необходимы непрерывное измерение L20 и анализ уровня рабочего состояния подъездных зон туннелей. Хайато Ито (Hayato Ito), сотрудник компании Panasonic Electriс Works Co., Ltd Сейджи Кобаяси (Seiji Kobayashi), руководитель сектора отдела проектирования оборудования компании West Nippon Expressway Engineering Chugoku Co., Ltd. Окончил в 1981 г. Техническую школу Хиросимского университета Масаказу Нагаи (Masakazu Nagai), сотрудник компании West Nippon Expressway Engineering Chugoku Co., Ltd. Акио Окада (Akio Okada), сотрудник компании West Nippon Expressway Co., Ltd СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Юнджи Ямамото (Junji Yamamoto), 1. Express Highway Research Foundation of Japan. «Research on Visual Environment in Tunnels», 1986. сотрудник компании West Nippon Expressway Co., Ltd 69 Оценка влияния синего света на сон и бодрствование пожилых людей Д. СКЕН 1 Университет Суррея, Великобритания За последние годы произошёл целый ряд открытий в области влияния света на суточный ритм человека и пришла уверенность в том, что наши «биологические часы» синхронны с внешним временем. На основе посуточных исследований мы теперь знаем, что свет оказывает целый ряд незрительных эффектов. К самым сильным эффектам светового воздействия относятся следующие явления: • подавление сенкреции гормона мелатонина – «гормона темноты»; • усиление чувства бодрости/производительности; • повышения температуры и частоты сердечных сокращений; • сужение зрачка; • повышение работоспособности. Мы также знаем, что можем оптимизировать эти незрительные эффекты светового воздействия, варьируя уровень, продолжительность, хронирование и спектральный состав освещения. Обнаружено, что свет в спектральном диапазоне 420–480 нм особенно эффективен в подавлении образования мелатонина [1, 2] (рис. 1 и 2). 1 1 По материалам доклада, представленного на Международной конференции Light & Health 17 марта 2009 г. Перевод с англ. Р.И. Столяревской. Рис. 1. Возможность подавления ночной секреции мелатонина при освещении коротковолновым видимым излучением (λmax = 424 и 472 нм) 70 Почему выбор пал на пожилых людей? Давно известно, что пожилые люди спят хуже молодых. Это ставит целый ряд проблем сна. Пожилые часто просыпаются среди ночи, очень редко или не надолго погружаются в глубокий сон, спят мало, а днём – дремлют. Существует ряд возрастных изменений глаз: уменьшается размер зрачка, хрусталик увеличивается и желтеет, сетчатка теряет клетки и др. Для биологических часов существенно уплотнение и пожелтение хрусталика глаз, которые приводят к уменьшению его пропускания в диапазоне коротких длин волн видимого спектра. Могут ли указанные изменения хрусталика влиять на эффективность сна, уменьшая незрительное восприятие света, особенно в части способности последнего подавлять образование мелатонина в организме? Так как синий свет наиболее значим для суточного ритма и вызывает эффект бодрости, должны предприниматься усилия для подтверждения того, что именно синий свет достигает чувствительных нервных клеток сетчатки в количестве, достаточном для инициирования этого эффекта, что означает необходимость компенсировать потери на деградацию хрусталика глаз дополнительным ко- Рис. 2. Уровень подавления секреции мелатонина в зависимости от длины волны излучения и энергетической освещённости [2] личеством сверхнасыщенного синего света. Автор с коллегами по Университету Суррея (University of Surrey), Гилфорд, Великобритания, наряду с другими учёными, занимается оценкой оптимальной суточной световой экспозиции для пожилых людей, которая необходима для обеспечения хорошего сна и синхронизации суточного ритма. В 2005 г. автор впервые принял участие в исследованиях, демонстрирующих отрезание синего света старческим хрусталиком, приводящее к уменьшению световой чувствительности циркадной системы [3]. Освещали молодых (24±3 года) и пожилых (57±5 лет) женщин коротковолновым синим светом и сравнивали эффект подавления секреции мелатонина как интегральный показатель циркадной системы. Результаты подтвердили гипотезу, что пожилые испытуемые менее чувствительны к синему свету в случае необратимых изменений хрусталика. Ранее в этой же университетской лаборатории были показаны и другие незрительные световые эффекты, смещающие, например, фазы циркадной системы и бодрящие, которые также чувствительны к коротковолновому видимому излучению [4, 5]. На этом основании была выдвинута гипотеза о том, что желтеющий кристаллик также может влиять на эти процессы. Кроме того, были выполнены сличения эффективностей влияния монохроматических синего (на длине волны 456 нм) и зелёного (548 нм) излучений на сдвиг фазы секреции мелатонина и на повышение работоспособности для смешанной группы молодых (23±3 лет) и пожилых (66±5 лет) испытуемых [6]. Исследования проводились с использованием специального шарового осветителя Ganzfeld dome. В жёстко контролируемых лабораторных условиях синее и зелёное излучения направлялись в течение двух ранних утренних часов на испытуемых при плотности потока фотонов порядка 6×1013 фотон/см2/с. Результаты этих исследований (рис. 3 и 4) показали, что активность (бодрость) испытуемых, была гораздо ниже у пожилых, чем у молодых при облучении синим светом на длине волны 456 нм, и была одинаковой при освещении зелёным светом на длине «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 волны 548 нм. Подобно этому, при измерении сонливости (рис. 5), используя хорошо опробованный метод KSS (Karolinska Sleepiness Scale), было обнаружено существенное уменьшение сонливости у молодых испытуемых после освещения синим светом по сравнению с группой пожилых. После освещения зелёным светом наблюдалось очень слабое возрастное различие по сонливости. Натурные оценки Безусловно, приведённые выше результаты чрезвычайно важны, но можно ли проецировать контрольные лабораторные исследования на реальную жизненную ситуацию? Понятно, что необходим целый ряд контрольных исследований на местах с большой случайной выборкой (рандомизацией), например, используя освещение с коррелированной цветовой температурой 4000 К и меняя при этом продолжительность освещения, его интенсивность, частоту изменения и спектральный состав. Одно из таких исследований проводится в настоящее время в домах престарелых, где измеряется мотто-активность испытуемых в качестве показателя качества сна под влиянием освещения комнаты. Дома для ухода за престарелыми/больными людьми, как правило, плохо освещены даже в течение светового дня. Для примера, люди, официально помещенные в такие учреждения с лёгкими нарушениями, с малозаметными отклонениями или неслабоумные, проводят в среднем по девять минут в условиях освещённости порядка 1000 лк, в то время как весьма слабоумные люди проводят в этих условиях только одну минуту [7]. Предварительные исследования показали, что усиление освещения в домах престарелых помогает уменьшать дневную дремоту и улучшает сон пациентов [8–12]. В совместных исследованиях Университета Суррея и компании Philips Lighting при экспериментировании с сине-белым светом при коррелированной цветовой температуре 17000 К в дневное время, оценивается его влияние на сон и дневную активность обитателей. Сравниваются четыре недели освещения, организованного компанией Philips Lighting при 4000 К с четырьмя неделями «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис. 3. Уровень бодрости у молодых и пожилых испытуемых во время и после 2-часового освещения синим излучением (λmax = 456 нм) [6] Рис. 4. Уровень бодрости у молодых и пожилых испытуемых во время и после 2-часового освещения зелёным излучением (λmax = 548 нм) [6] Рис. 5. Уровень сонливости у молодых и пожилых испытуемых во время и после 2-часового освещения синим, λmax = 456 нм, (а) и зелёным, λmax = 548 нм, (б) излучениями [6] освещения при 17000 К. Светильники были установлены в нескольких домах для престарелых людей, расположенных на юго-западе Лондона. Предварительные результаты показали, что «холодный» синий свет может быть эффективен для улучшения сна. Люди засыпают быстрее, имеют глубокий сон и демонстрируют заранее предсказуемое время подъёма. Заключение Возможность синего света влиять на циркадные (суточные) ритмы и его другие незрительные эффекты теперь подтверждены целым рядом лабораторных исследований. Следующим шагом должно быть исследование этих явлений в реальной жизни. Эффективность и применимость новых световых приборов, проектируемых на основе результатов этих последних исследований должны определяться на рабочих местах, в больницах и домах по уходу за престарелыми и психически нездоровыми людьми. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Brainard, G.C, Hanifin, J.P, Greeson, J.M, et al. Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor // J. Neurosdence. – 2001. – Vol. 21, № 16 ю – Р. 6405–6412. 2. Thapan, K, Arendt, J, Skene, D.J. An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, noncone photoreceptor system in humans // J. Physiol. – 2001. – № 535. – Р. 261–267. 3. Herljevic, M, Middleton, B, Thapan, K, Skene, D.J. Light-induced melatonin suppression: age-related reduction in response to short wavelength tight // Experimental Gerontol. – 2005. – Vol. 40. – P. 237–242. 4. Revefl, V.L, Arendt, J, Terman, M, Skene, D.J. Short-wavelength sensitivity of the human circadian system to phaseadvancing light // J. Biol. Rhythms. – 2005. – Vol. 20. – P. 270–272. 5. Revell, V.L, Arendt, J, Fogg, L.F, Skene, D.J. Alerting effects of light are 71 sensitive to very short wavelengths // Neurosci Lett. – 2006. – № 399. – Р. 96–100. 6. Sletten, T.L, Revel, l V.L, Middleton, B, Lederle, K.A, Skene, D.J. Age-related changes in acute and phase advancing responses to monochromatjc light // J. Biol. Rhythms. – 2009. – Vol. 24. – P. 73–84. 7. Ancoli-lsreal, S, Klauber, M.R, Jones, D.W, et al. Variations in circadian rhythms of activity, sleep, and light exposure related to dementia in nursing-home patients // Sleep. – 1997. – Vol. 20. – P. 18–23. 8. Mishima, K, Okawa, M, Hishikawa, Y, et al. Morning bright light therapy for sleep and behavior disorders in elderly patients with dementia // Acta Psychiatr Scand. – 1994. – Vol. 89. – P. 1–7. 9. Wan Someren, E.J.W., Kessler, A, Mirmiran, M., Swaab, D.F. Indirect bright light improves circadian rest-activity rhythm disturbances m demented patients // Вiol. Psych. – 1997. – Vol. 41. – P. 955–963. 10. Ancoli-lsrael S, Genrman, P, Martin, J.L, et al. Increased light exposure consolidates sleep and strengthens circadian rhythms in severe Alzheimer's disease patients // Behav. Sleep Med. – 2003. – № 1. – Р. 22–36. 11. Fetvei, t A, Bjorvatn, B. The effects of bright-light therapy on actigraphical measured sleep last for several weeks post-treatment. A study in a nursing home population // J. Sleep Res. – 2004. – Vol. 13. – P. 153–158. 12. Riemersma-van der Lek, R.F, Swaab, D.F, Twisk, J., et al. Effect of bright light and melatonin on cognitive and noncognitive function in elderly residents of group care facilities: a randomised controlled trial //JAMA. – 2008. – № 299. – Р. 2642–2655. Нина Семёновна Иванова 90 лет со дня рождения (1919–1996) Íèíà Ñåì¸íîâíà Èâàíîâà – êàíäèäàò òåõíè÷åñêèõ íàóê, âåäóùèé ñïåöèàëèñò â îáëàñòè òåõíèêè è ýñòåòèêè îñâåùåíèÿ æèëûõ è îáùåñòâåííûõ çäàíèé. Íàó÷íàÿ è ïðàêòè÷åñêàÿ äåÿòåëüíîñòü Í.Ñ. Èâàíîâîé íà÷àëàñü â 1944 ã. â ëàáîðàòîðèè àðõèòåêòóðíîãî îñâåùåíèÿ ñâåòîòåõíè÷åñêîãî ñåêòîðà ÂÝÈ èì. Â.È. Ëåíèíà.  1946 ã. Í.Ñ. Èâàíîâà áûëà îòìå÷åíà â ãðóïïå òîâàðèùåé, ó÷àñòâîâàâøèõ â ðåêîíñòðóêöèè îñâåùåíèÿ Êðåìë¸âñêèõ çâ¸çä.  1952 ã., ïîñëå óñïåøíîé çàùèòû äèññåðòàöèè, Í.Ì. Èâàíîâà – íà÷àëüíèê ëàáîðàòîðèè êîíòðîëÿ, à â ïåðèîä ñ 1963 ïî 1969 ãã. – íà÷àëüíèê ñîçäàííîé ïî å¸ èíèöèàòèâå ëàáîðàòîðèè òåõíèêè îñâåùåíèÿ æèëûõ è îáùåñòâåííûõ çäàíèé ÂÍÈÑÈ. Ïîä å¸ ðóêîâîäñòâîì âûïîëíåí öåëûé ðÿä àêòóàëüíûõ íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèõ è îïûòíî-êîíñòðóêòîðñêèõ ðàáîò, ðàçðàáîòàíû ñâåòèëüíèêè ðàçëè÷íîãî íàçíà÷åíèÿ, çà ÷òî îíà áûëà íàãðàæäåíà ìåäàëüþ ÂÄÍÕ. Ñ 1969 ïî 1975 ãã. Í.Ñ. Èâàíîâà ðàáîòàëà â èíñòèòóòå òåõíè÷åñêîé ýñòåòèêè (ÂÍÈÈÒÝ) 72 ðóêîâîäèòåëåì ëàáîðàòîðèè ñâåòîòåõíèêè. Ñ 1976 ã. Í.Ñ. Èâàíîâà – äîöåíò êàôåäðû ñòðîèòåëüíîé ôèçèêè Ìîñêîâñêîãî àðõèòåêòóðíîãî èíñòèòóòà, ãäå åþ ðàçðàáîòàí è ïðî÷èòàí íîâûé êóðñ «Îñíîâû àðõèòåêòóðíîãî öâåòîâåäåíèÿ». Âñÿ íàó÷íàÿ äåÿòåëüíîñòü Í.Ñ. Èâàíîâîé áûëà íàïðàâëåíà íà ñîâåðøåíñòâîâàíèå ñâåòîâîé ñðåäû æèëûõ è îáùåñòâåííûõ çäàíèé. Îíà ïðèíèìàëà äåÿòåëüíîå ó÷àñòèå â ðàçðàáîòêå îáùåñîþçíûõ íîðì èñêóññòâåííîãî îñâåùåíèÿ. Ïðè å¸ ó÷àñòèè â 1971 ã. ïðè Íàó÷íîì ñîâåòå ïî ïðîáëåìàì òåõíè÷åñêîé ýñòåòèêè (ÍÑÒÝ) ÃÊÍÒ áûëà ñîçäàíà è àêòèâíî ðàáîòàëà ñåêöèÿ ïî ïðîáëåìå «Ñâåò êàê ýëåìåíò æèçíåííîé ñðåäû ÷åëîâåêà».  1977 ã. âî ÂÍÈÑÈ áûë ñîçäàí Öåíòðàëüíûé õóäîæåñòâåííî-òåõíè÷åñêèé ñîâåò ïî àòòåñòàöèè áûòîâûõ ñâåòèëüíèêîâ, àêòèâíûì ÷ëåíîì êîòîðîãî îíà ÿâëÿëàñü è â îðãàíèçàöèþ êîòîðîãî âëîæèëà íåìàëî ñèë. Í.Ñ. Èâàíîâà òâîð÷åñêè ó÷àñòâîâàëà â äåÿòåëüíîñòè Ìåæäóíàðîäíîé êîìèññèè ïî îñâåùåíèþ (ÌÊÎ), ÿâëÿÿñü ýêñïåðòîì Òåõíè÷åñêèõ êîìèòåòîâ Å.3.1.1.3 «Ýñòåòèêà îñâåùåíèÿ» è ÒÊ 3.5 «Îñâåùåíèå è ñðåäà». Ñ 1955 ïî 1965 ãã. Í.Ñ. Èâàíîâà áûëà ÷ëåíîì ðåäêîëëåãèè æóðíàëà «Ñâåòîòåõíèêà». Ðàáîòàÿ âî ÂÍÈÑÈ, îíà áûëà ñåêðåòàð¸ì ïàðòîðãàíèçàöèè èíñòèòóòà, äåïóòàòîì Ðàéîííîãî Ñîâåòà Äåïóòàòîâ òðóäÿùèõñÿ. Íèíà Ñåì¸íîâíà, îòëè÷àâøàÿñÿ èñêëþ÷èòåëüíîé èíòåëëèãåíòíîñòüþ, ýðóäèöèåé, äîáðîòîé è îòçûâ÷èâîñòüþ, ïîëüçîâàëàñü ïîñòîÿííîé ëþáîâüþ è óâàæåíèåì ñîòðóäíèêîâ è òîâàðèùåé äî ñàìîé ñìåðòè â 1996 ã. «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Китаец и русский ввернули новую лампочку Недавно СМИ известили мир о технологическом прорыве в повышении световой отдачи ламп накаливания. В частности, газета «Известия» от 2 июня 2009 г. опубликовала следующую заметку (автор П. Образцов). Обработав нить накаливания обычной электрической лампочки лазером, международный коллектив исследователей добился увеличения яркости лампы и снижения потребления электроэнергии. Обычные лампы накаливания дёшевы, но имеют очень низкий КПД, не более 5 %. Это означает, что потребитель (мы с вами) на 95 % платим не за освещение, а за ненужное и малоэффективное нагревание помещения этой лампочкой. Люминесцентные лампы экономичны, имеют гораздо больший КПД и намного дольше служат, но они значительно, раз в 10, дороже и испускают не очень подходящий для человеческого глаза белесый свет. Однако эти лампы постепенно вытесняют обычные, особенно в офисных помещениях, где владельцев больше всего интересует экономия электроэнергии. Но оказывается, традиционные лампы накаливания можно без особых затрат заставить работать гораздо эффективнее. Работающие в Рочестерском университете (США) доцент кафедры оптики Го Чуньлэй, его помощник Анатолий Воробьёв направили луч фемтосекундного лазера на вольфрамовую спираль лампочки прямо через её стекло. Лазер имел мощность, превышающую мощность всех вместе электростанций Северной Америки, но поскольку он работает всего лишь несколько фемтосекунд (фемтосекунда – одна миллионная часть одной миллиардной части секунды), для питания лазера потребовалось всего лишь включить его в обычную розетку. Поверхность обработанного лазером небольшого участка спирали претерпела значительные изменения, на ней появились выступы и впадины, «усы» и «веточки» микроскопического масштаба. Но главное, что эта поверхность приобрела свойства абсолютно чёрного тела, которое излучает свет максимально эффективно. Сайт membrana.ru сообщает, что лампочка действительно горела намного ярче. Учёные подсчитали, что при обработке всей спирали 60-ваттная лампа будет светить как 100-ваттная, причём при уменьшенном расходе электроэнергии и большом сроке службы. Фемтосекундные лазеры стоят недорого, электроэнергии потребляют немного, так что у люминесцентных ламп появился весьма опасный конкурент. Говорят, что производить более долговечные лампы накаливания с нитью не из вольфрама, а из металла рения соответствующие фирмы не захотели, поскольку им выгодна частая замена ламп. Не произошло бы чего-нибудь подобного с лампочками, обработанными лазером!» Это означает, что световая отдача ламп накаливания общего назначения (ЛОН), например, с 12 лм/Вт может подняться до 20–21 лм/Вт (уровень современных галогенных ламп накаливания (ГЛН)), а световая отдача ГЛН – с 20– 22 лм/ Вт, соответственно, до 34–38 лм/Вт. Что ж, если бы удалось реализовать серийное (массовое) производство таких «новых» ламп накаливания, что маловероятно, то начавшиеся «гонения» на ЛОН значительно поумерились бы (тем более, что «не световой отдачей единой»), а лампы накаливания специального назначения (для фонарей, автотранспортные, самолётные и т. п.) и ГЛН сильно бы укрепили свои рыночные позиции. Вообще же, в истории ламп накаливания есть немало примеров проявления закона отрицания отрицания. И в данном случае мы, кажется, становимся свидетелями очередного из них, открывающего большие, но, к сожалению, … предельные возможности ламп накаливания с вольфрамовой нитью по световой отдаче. (В этом отношении, конечно, за разрядными лампами и светодиодами им не угнаться.) Что же касается рения как материала нити накала, то П. Образцову следовало бы знать, например, что температура плавления рения почти на 300 оС ниже, а цена почти в 300 раз выше, чем у вольфрама. Реплика от редакции Ну что тут сказать?! Если это не «утка», то можно только порадоваться успеху человечества, которому в лице «китайца и русского» удалось поднять световую отдачу вольфрамовой нити накала аж на целых 70 % (пусть пока что лабораторно). «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 73 Дискуссии Стратегические проблемы светотехнической отрасли с точки зрения внедрения инноваций Кризис в светотехнической отрасли России начался гораздо раньше, чем нынешний мировой. Занимаясь светодиодами (СД) на протяжении последних 10 лет я имел возможность наблюдать за ситуацией в отрасли с одной стороны, извне, так как СД были до недавнего времени «чужими на празднике света», а с другой стороны, видел отрасль изнутри, по необходимости проникаясь светотехническими задачами, которые могут быть решены с применением СД. Где-то до 2004–2005 гг. светотехническое сообщество, в общем, справедливо полагало, что удел СД – декоративная подсветка, светофоры и стопсигналы автомобилей. При этом многие не желали и слышать о темпах роста световой отдачи и падении стоимости единицы светового потока СД. Чрезвычайно низкая в сравнении с европейскими странами стоимость электроэнергии создавала благоприятный фон для наращивания потребления неэффективных решений на основе ламп накаливания, галогеновых и люминесцентных ламп с примитивными светильниками, имеющими низкие коэффициенты использования светового потока, с ЭмПРА и практически без использования энергосберегающих систем управления светом. Тем более, что технологии были отработаны, производственные мощности имелись, рентабельность была достаточна. Государственные регуляторы на рынке отсутствовали, устаревающие нормы не пересматривались. Технология внедрения инноваций не существовала в принципе. Получилась следующая схема (рис. 1): В промышленно развитых странах Европы и в США ситуация была совершенно иной. Дорогая электроэнергия Рис.1 74 и высокая конкуренция на рынке создали разнонаправленные векторы развития отрасли. Ключевым элементом стала связка «государство – общество – промышленность». Наличие государственных регуляторов, развитая система независимых научных, технических и общественных организаций, журналов и сайтов, «цивилизованных» площадок для обсуждения проблем и выработки путей их решения создали предпосылки повышения эффективности освещения. В результате жёсткого столкновения интересов бизнеса, вложившего большие средства в массовые, устоявшиеся технологии, и общества, заинтересованного в повышении качества жизни при снижении затрат, естественно, победил бизнес, развитие энергосберегающих технологий было замедлено. Но в качестве компромисса с потребностями общества бизнесом были сделаны шаги по выработке новых нормативов, стандартов, рекомендаций и регламентов. Профинансированы исследования по физиологии зрения, по новым энергосберегающим технологиям источников света, систем управления и идеологии энергосбережения в целом. Начиная с конца прошлого века в Японии, США, Европе были приняты программы энергосбережения, внедрения освещения светодиодами, ресурсосбережения. Это не было бы возможно без инфраструктуры – технические комитеты, конференции, профессиональные сообщества и научные центры дали и власти и бизнесу информацию для принятия правильных, научно и технически обоснованных решений. (рис. 2) В результате бизнес выиграл время на перевооружение, амортизировал прежние вложения, а общество получило новые технологии, улучшающие эко- логию, качество жизни, энерго- и ресурсосбережение. Но это там, «у них». А что происходило и происходит в России? Говорить о воле регулятора рынка – государства даже как-то неловко. Ни воли, ни регуляторов, ни рынка не было и нет. Такие важнейшие инструменты формирования цивилизованного рынка как Технический комитет по стандартам, светотехнические ассоциации, исследовательские центры, конференции, профессиональные сообщества светотехников, объединения промышленности либо отсутствуют, либо их роль на рынке незначительна и функционирование более напоминает анабиоз с редкими пробуждениями ритуального характера. Особенно удручает ситуация с ведущими светотехническими институтами, сделавшими очень много для отрасли в советские годы. Их авторитет, несмотря на большие традиции и, пусть стареющие и редеющие, но высокопрофессиональные кадры, в значительной мере утрачен, финансирования принципиально важных и новых тем недостаточно. Отсутствие финансирования новых тем влечёт за собой распад отечественной школы светотехники, молодые кадры не приходят в науку. В медийном пространстве дела не лучше – единственный на всю Россию светотехнический научный журнал «Светотехника» пытается воззвать к светотехническому сообществу о необходимости модернизации отрасли, о важности постановки заслона низкокачественной, не соответствующей никаким стандартам продукции, заполонившей и «засорившей» рынок. Все попытки издавать светотехнические журналы прикладной, инженерной направленности провалились (последним был, кажется, «Цоколь»). Остальные светотехнические журналы в основном носят гламурно-развлекательный характер. Между тем новые источники света – СД перешагнули принципиальный рубеж в 100 лм/Вт и сняли большинство технических ограничений на их применение в освещении. В мире идёт рост потребления освещения светодиодами. Ведущие мировые производители СД демонстрируют хорошие финансовые результаты даже в условиях кризиса. Интенсивно разрабатываются стандарты и нормативы. Зато в России по действующим стандартам СД как бы не существуют. В докладе светотехников из железнодорожного ведомства на Конференции «Перспективы внедрения светодиод«СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 ной техники в ОАО «РЖД»» стандартам было уделено много внимания и отмечено, что большинство стандартов, методик и нормативов устарели и не способствуют решению светотехнических задач, а мешают. Для проектировщиков, например Строительного комплекса Москвы, препятствием к внедрению освещения светодиодами служит отсутствие типовых методик расчёта осветительных установок с СД, классификаторов светодиодных источников света по типам, областям применения и функциональному назначению, методик техникоэкономических расчётов таких систем. Доходят сведения о том, что специалисты Роспотребнадзора считают светодиодные источники света вредными для здоровья. Думаю, было бы полезно опубликовать отчёты о таких исследованиях. Особенно если учесть, что подобного рода исследования гигиенистами, помоему, не проводились со времён внедрения люминесцентных ламп… Необходимость разработки современных гигиенических требований к качеству световой среды, с учётом последних исследований в области физиологии зрения и зрительного восприятия, назрела для всех типов источников света. Сказать, что ничего не делается для внедрения инноваций в освещение тоже нельзя. Флагманом внедрения стало ОАО «РЖД»! Приняв нацеленную на инновационный сценарий, внутренне непротиворечивую, обоснованную экономически программу внедрения светодиодов, ОАО продемонстрировало на деле то, что никак не может продемонстрировать Правительство – реальный интерес и реальные действия по энергосбережению на основе комплексного внедрения высоких технологий. Освещение светодиодами уже имеется на Ленинградском и Московском вокзалах Октябрьской ЖД и на платформе «Санкт-Петербург – Сортировочная». Известно ригельное освещение светодиодами участка междупутий на Северной ЖД. Освещены светодиодами и несколько составов пригородных электропоездов. Прошедшие полгода выполнения программы в режиме пилотных проектов дали огромный материал для осмысления и проработки. Далеко не все получилось удачно. На мой взгляд, слабое взаимодействие ОАО «РЖД» со светотехниками и отсутствие светотехнической экспертизы проектов на этапе их подготовки – вот причины имеющихся неудач. ОАО «РЖД», занимаясь программированием решений своих внутренних «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Рис.2 задач энергосбережения в рамках громадного ЖД хозяйства, по сути, объективно вынуждено решать задачи общенационального уровня – разработки современных стандартов и нормативов освещения, гигиенических требований к качеству света. Другой пример практической заинтересованности во внедрении светодиодных осветительных технологий – деятельность ГУП «Моссвет» совместно с лабораторией наружного освещения ООО «ВНИСИ». Помимо мониторинга и картографирования уровня освещенния московских улиц ими ведётся работа по разработке новых стандартов и нормативов наружного освещения. ГУП «Моссвет» ведутся (в инициативном порядке!) натурные испытания светодиодных устройств различных производителей. На кафедре «Светотехника» МЭИ (ТУ), опять-таки в инициативном порядке, медленно, но идут работы по гигиене света. Существуют отдельные светотехнические форумы в сети, объединяющие разработчиков и потребителей. Как мы видим, усилия прилагают многие, но эти отдельные успехи лишь подчёркивают отсутствие отраслеобразующих структур. Нет технических комитетов, нет рабочих групп, нет лоббистских структур. Есть разрозненные группы специалистов по интересам, по компаниям, по технологиям. Вот выдержка из ответа начальника Управления технического регулирования и стандартизации В.Н. Клюшникова журналу «Светотехника» № 1 за этот год: «Значительная коммерциализация деятельности в отрасли не позволяет действующим структурам проводить объективный анализ развития отрасли и разработку планов перспективного её развития». Щёлк, и нету! В результате, дорожную карту по освещению светодиодами в ГК РОСНАНО верстают в основном специалисты по производству полупроводников, в рабочей группе по светодиодному проекту Минпромторга нет ни одного эксперта по светотехнике. А по освоению производства светодиодных изделий в промышленных масштабах лидируют отнюдь не светотехнические предприятия, а либо сами производители СД, либо предприятия, выросшие из производителей–поставщиков электронной техники, либо просто коммерческие торговые организации, везущие километро-тоннами светодиодные ленты, лампочки, линейки и т. п. По-моему, в светотехнической отрасли достаточно грамотных людей, способных самостоятельно сделать выводы из изложенного. Да и многое сказанное выше отлично известно всем заинтересованным профессионалам! Вопрос не в том «Кто виноват?», а в том «Что делать?» Мои предложения, для начала, таковы: Необходимо создать некую светотехническую ассоциацию, действующую на принципах: • корпоративной независимости, • конструктивного сотрудничества ведущих предприятий отрасли, • ко р п о р ат и в н о го и л и ч н о го членства, • интенсивного взаимодействия с государственными структурами (Ростехрегулирование, Роспотребнадзор, ТПП, РОСНАНО и др.) и вертикально интегрированными компаниями (Газпром, РЖД и др.), объективно заинтересованными в качественных, инновационных, энерго- и ресурсосберегающих технологиях. Возможно, что для возрождения светотехнического сообщества потребуется, условно говоря, «светотехнический съезд». Крайне важно для формирования цивилизованного рынка создать рабочую группу по подготовке формирования саморегулируемых организаций в светотехнической отрасли. А что сказали бы вы, уважаемые светотехники и смежники? Очень хочется знать. Е.В. Долин, инженер 75 Обмен опытом О современном состоянии и некоторых направлениях развития российского светотехнического рынка Н.И. ЕМЕЛЬЯНОВ 1 Ассоциация производителей светотехнических изделий «Российский Свет», г. Саранск Аннотация В статье освещены некоторые наиболее актуальные проблемы и направления развития светотехнической отрасли России и отмечены динамично развивающиеся отечественные светотехнические предприятия, в том числе входящие в Ассоциацию производителей светотехнических изделий «Российский Свет». Ключевые слова: Ассоциация, «Российский свет», импорт, экспорт, лампы, электромагнитные ПРА, светотехническая отрасль, развитие, Технопарк в Саранске. 1 За сравнительно короткий промежуток времени в светотехнической отрасли России произошли структурные и организационные изменения, связанные с тем, что произошла смена собственников нескольких предприятий, отдельные предприятия проходят процедуру банкротства и, в то же время, создано несколько новых предприятий, осуществляющих производство и реализацию светотехнической продукции. В 2008 г. исполнилось 15 лет со дня создания некоммерческой организации – Ассоциации производителей светотехнических изделий «Российский Свет» (АПСИ РС), объединяющей более 40 светотехнических предприятий России и стран СНГ. Главной целью объединения было сохранить и развить научно-производственный потенциал светотехнической отрасли России. Деятельности АПСИ РС посвящено несколько статей. Основные наиболее актуальные проблемы и направления развития светотехнической отрасли России постоянно находятся в поле зрения высшего руководящего органа АПСИ РС – её Совета, очередное заседание которого состоялось 17 марта сего г. На заседании рассмотрены и обсужде1 76 E-mail: Lisma@moris.ru ны итоги работы предприятий АПСИ РС в 2008 г. и задачи на ближайший период. Нынешнее состояние светотехнической отрасли России характеризуeтся многообразием факторов, определяемых тенденциями развития мировой светотехники: энергосбережение, применение светодиодов (СД) в освещении и сигнализации, постепенная замена ЛН на более энергоэффективные ИС. При этом вопросы использования СД в освещении изучаются и частично решаются на предприятиях АПСИ РС. Глобальный финансовый и экономический кризис не обошёл стороной и российскую светотехническую отрасль. По некоторым группам светотехнических изделий в конце 2008 – первом полугодии 2009 гг. произошёл спад их производства и реализации. На некоторых предприятиях производство продукции осуществляется по графику неполного рабочего времени. По данным Росстата рост промышленного производства в 2008 г. составил 102,1 % против 106,3 % в 2007 г., а в обрабатывающих производствах – 103,2 %. Несмотря на кризис, затронувший реальный сектор российской экономики, с учётом интенсивного развития экономики в первом полугодии, 2008 г. удалось закончить ростом. При этом в декабре 2008 г. индекс промышленного производства составил 89,7 % к декабрю 2007 г. и 103,8 % к ноябрю 2008 г.; а в обрабатывающих производствах – 86,9 % и 101,6 % соответственно. В светотехнической отрасли рост производства осветительного оборудования и электрических ламп в 2008 г. составил 112,2 % против 122,9 % в 2007 г. Динамика производства осветительного оборудования в 2008 г. к 2007 г. поквартально выглядит следующим образом (в %): 1 кв. – 127,0; 2 кв. – 141,5; 3 кв. – 108,3; 4 кв. – 84,2. По оперативной информации, объём производства ламп в России в 2007 г. увеличился по сравнению с 2006 г. (темпы 113,3 %), а в 2008 г. – снизились по сравнению с 2007 г. (темпы 92,8 %). Объём производства ламп в январе 2009 г. снизился по сравнению с январём и декабрём 2008 г. Динамика объёма производства ламп составила 64,2 % к январю 2008 г. и 68,0 % к декабрю 2008 г. Объём производства ламп в феврале 2009 г. повысился по сравнению с январём 2009 г. При этом динамика производства ламп составила 81,1 % к февралю и 140,8 % к январю 2009 г. За январь – февраль 2009 г. объём производства ламп снизился и составил 73,1 % к январю – февралю 2008 г. Объём производства ламп в марте 2009 г. повысился по сравнению с мартом 2008 г. При этом динамика объёма производства ламп составила 107,3 % к марту 2008 г. и 114,6 % к февралю 2009 г. За январь – март 2009 г. объём производства ламп снизился и составил 83,8 % к январю – марту 2008 г. По оперативной информации Росстата, производство бытового светотехнического оборудования (настольных, подвесных, настенных и напольных светильников) в России в 2006– 2008 гг. имело тенденцию к спаду. Объём производства данной группы изделий в 2006 г. увеличился по сравнению с 2005 г. более чем на 0,5 млн. шт. – темпы 138 %, в 2007 г. по сравнению с 2006 г. – темпы 116 %, в 2008 г. объём производства снизился по сравнению с 2007 г. – темпы 76,8 %. В 2008 г. предприятиями АПСИ РС произведено товарной продукции на сумму более 8 млрд. руб., темпы к 2007 г. составили более 120 % (основной прирост – за счёт производства осветительного оборудования). В журнале «Светотехника» № 4 за 2008 г. мною изложена ситуация на российском рынке светотехнических 2 «Лампы и осветительное оборудование, включая прожекторы, лампы узконаправленного света, фары и их части, в другом месте не поименованные или не включённые; световые вывески, световые таблички с именем или названием, или адресом, и аналогичные изделия, имеющие встроенные источники света, и их части, в другом месте не поименованные или не включённые». «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 изделий 2003–2007 гг. В данной же статье сообщается оперативная информация о растущем импорте светотехнических изделий в Россию в 2008 – начале 2009 гг. по товарным группам светотехнических изделий – коды ТН ВЭД 9405 2, ТН ВЭД 8539 3 и ТН ВЭД 8504 10 2000 4 (без учёта импорта ламп, СП и ЭмПРА для разрядных ламп из Республики Беларусь). Товарная группа ТН ВЭД 9405: Объём импорта светотехнических изделий по коду ТН ВЭД 9405 в Россию стремительно растёт: в 2007 г. по сравнению с 2004 г. он увеличился со $131 млн. до $320 млн. и превзошёл в разы объём их экспорта из России. В 2008 г. объём импорта этих изделий в Россию достиг приблизительно $440 млн., увеличившись с 2007 г. в 1,38 раза. Товарная группа ТН ВЭД 8539: Объём импорта ламп по коду ТН ВЭД 8539 в Россию в стоимостном выражении заметно прогрессирует: со $154,9 млн. в 2007 г. до $194,2 млн. в 2008 г. (темпы – 125,4 %), превосходя в разы объём их экспорта из России. Динамика объёма импорта ламп в натуральном выражении при этом следующая (см. табл. 1): Прирост объёма импорта ламп в Россию в 2008 г. по сравнению с 2007 г. составил более 12 млн. шт., а по сравнению с 2005 г. – более 122 млн. шт. (темпы – около 1,5 раз). В 1 кв. 2009 г. по сравнению с 1 кв. 2008 г. объём производства ламп в России упал до 83,8 %, объём импорта – до 86 %, а объём экспорта вырос в 2,2 раза. С учётом импорта ламп из Республики Беларусь соотношение объёмов их импорта и производства в России в 2008 г. превысило 80 %, а доля импортных ламп на российском рынке составила около 50 %. Динамика объёмов импорта наиболее массовых в производстве и применении групп электрических ламп следующая: Объём импорта ламп накаливания общего назначения (код ТН ВЭД 8539 22 9000) возрос с 87,7 млн. шт. в 2006 г. до 103,3 млн. шт., на сумму $14,8 млн., в 2007 г. и до 108,5 млн. шт., на сумму $17,1 млн., в 2008 г. Объ3 «Лампы накаливания электрические или газоразрядные, включая лампы герметичные направленного света, а также ультрафиолетовые или инфракрасные лампы; дуговые лампы». «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Таблица 1 Динамика изменения импорта ламп по коду ТН ВЭД 8539 Год Количество, млн. шт. Средневзвешенная цена, $/шт. 2006 248,1 0,3512 2007 358,7 0,4319 2008 370,8 0,5238 ём импорта ЛН данной группы в 1 кв. 2009 г. составил около 25 млн. шт., на сумму более $4,2 млн. Объём импорта люминесцентных ламп (код ТН ВЭД 8539 31 1000) возрос с 48,7 млн. шт. в 2006 г. до 71,9 млн. шт., на сумму $32,3 млн., в 2007 г. и до 59,9 млн. шт., на сумму $29,0 млн., в 2008 г. Объём импорта ламп данной группы в 1 кв. 2009 г. составил более 9 млн. шт., на сумму более $4,4 млн.. Объём импорта люминесцентных ламп прочих (в том числе КЛЛ, код ТН ВЭД 8539 31 9000) возрос с 13,5 млн. шт. в 2006 г., до 32,9 млн. шт., на сумму $33,9 млн., в 2007 г. и до 51,3 млн. шт., на сумму $54,2 млн., в 2008 г. Объём импорта ламп данной группы в 1 кв. 2009 г. составил более 12,5 млн. шт., на сумму более $12,8 млн. Объём импорта ртутных ламп (код ТН ВЭД 8539 32 1000) возрос с 3,2 млн. шт. в 2006 г. до 5,4 млн. шт., на сумму $13,4 млн., в 2007 г., и в 2008 г. составил 4,4 млн. шт., на сумму $10,8 млн. Объём импорта ламп данной группы в 1 кв. 2009 г. составил более 850 тыс. шт., на сумму более $1,8 млн. Объём импорта натриевых ламп (код ТН ВЭД 8539 32 5000) составил около 250 тыс. шт. в 2006 г., 919,3 тыс. шт., на сумму $6,0 млн., в 2007 г. и возрос до 1,2 млн. шт., на сумму более $7,6 млн., в 2008 г. Объём импорта ламп данной группы в 1 кв. 2009 г. составил более 160 тыс. шт., на сумму более $0,7 млн. Объём импорта металлогалогенных ламп (код ТН ВЭД 8539 32 9000) составил около 220 тыс. шт. в 2006 г., более 375 тыс. шт., на сумму $6,7 млн., в 2007 г. и возрос до 570 тыс. шт., на сумму более $10,9 млн., в 2008 г. Объём импорта этих ламп в 1 кв. 2009 г. 4 «Балластные элементы для разрядных ламп или трубок, прочие, соединённые или не соединённые с конденсатором» (ЭмПРА). составил более 110 тыс. шт., на сумму более $1,3 млн. То в а р н а я г р у п п а Т Н В ЭД 8504 10 2000 (см. табл. 2): Динамика объёма импорта данной товарной группы (ЭмПРА) в Россию за 2006–2008 гг. следующая: Ро ст объёма импорта ЭмПРА в Россию в 2008 г. по сравнению с 2003 г. – более чем в 2,7 раза. При этом средневзвешенная цена импортируемых ЭмПРА, 5 лет не превышавшая $0,4/шт., в 2008 г. достигла $1,098/шт. Из приведённых данных виден значительный рост средневзвешенной цены импортируемых ЭмПРА. (При этом она не соответствует ЭмПРА высокого качества.) Основные страны-экспортёры ЭмПРА в Россию в 2008 г. – Болгария, Германия, Испания, КНР, Республика Корея, Финляндия и Франция. Многие специалисты предприятий АПСИ РС невольно обеспокоены всевозрастающим объёмом и низким качеством импортируемых ЭмПРА (пониженные рабочие характеристики и небезопасность из-за перегрева при работе). Необходимо изыскивать законные средства и возможности по недопущению некачественных ЭмПРА на российский светотехнический рынок. Несмотря на возникшую в конце 2008 г. кризисную ситуацию, в светотехнической отрасли страны сохранились определённые положительные тенденции (точки роста). Из светотехнических предприятий отрасли, динамично развивавшихся в последнее время, следует отметить: ООО «Лихославльский завод светотехнических изделий «Светотехника», где осуществляется техническое перевооружение производства и осваивается большая номенклатура новых изделий. Предприятие специализируется на выпуске светотехнической продукции разнообразного назначения. ОАО «Ардатовский светотехнический завод», оснащённый высокопроизводительным оборудованием и осуществляющий весь цикл производства: 77 Таблица 2 Динамика изменения импорта ЭмПРА Количество, млн. шт. Сумма, $ млн. Средневзвешенная цена, $/шт. 2006 43,59 16,35 0,3751 2007 48,75 20,23 0,4150 2008 43,54 47,82 1,0983 Год от проектирования до серийного (массового) выпуска изделий. На предприятии используются современные технологии и оборудование. В настоящее время оно выпускает свыше 800 модификаций светильников и, имея большой научно-технический потенциал, постоянно расширяет ассортимент выпускаемых изделий. Предприятие специализируется на выпуске светотехнической продукции разнообразного назначения, включая ЭмПРА для люминесцентных ламп. По отдельным видам изделий предприятие является основным изготовителем в России. ОАО «Кадошкинский электротехнический завод», создающий всё новые светотехнические изделия, осваивающий новые современные технологии и оборудование и наращивающий объёмы производства разнообразных энергосберегающих СП и ЭмПРА для РЛВД. ГУП РМ «Лисма», даже в нынешних условиях являющийся основным производителем ИС в России. На предприятии разрабатываются новые ИС (по заказам) и совершенствуются технологические процессы для обеспечения конкурентоспособности выпускаемых ИС. В отрасли динамично развиваются также предприятия по производству энергосберегающих ИС: ООО «Рефлакс-С» (НЛВД и МГЛ, с использованием высокопроизводительного импортного сборочного оборудования) и ООО «Саранский электроламповый завод» (ГЛН). На этих предприятиях создаются новые рабочие места. Говоря о российской светотехнике, не могу не отметить деятельность двух ведущих институтов – ООО «ВНИСИ» и ОАО «ВНИИИС» – по созданию новых, энергоэффективных СП, ИС и технологии их производства, а также Светотехнического факультета Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва, единственного светотехнического факультета в России (который подготовил не 78 одно поколение светотехников, работающих не только в светотехническом производстве, но и в других отраслях экономики России и стран СНГ). Наряду с предприятиямиучастниками АПСИ РС светотехническую продукцию в России выпускают ещё несколько известных производителей, таких как Международная группа компаний «Световые технологии», ОАО «ОСРАМ» (б. ОАО «СВЕТ») и Калашниковский электроламповый завод, которые наращивают объёмы выпуска и реализации соответствующих светотехнических изделий на основе современных технологий и оборудования. Имеющиеся успехи предприятий отрасли достигнуты благодаря взвешенной технической политике их руководства и высокой квалификации инженеров и рабочих. При этом развитие предприятий сдерживается недостаточностью оборотных средств, средств на техническое перевооружение и высокой конкуренцией с зарубежными фирмами. Программы по энергосбережению в освещении в передовых странах предусматривают расширение производства и использования КЛЛ вместо ЛН, ЭПРА для разрядных ламп вместо ЭмПРА, постепенную замену осветительных ртутных ламп (ДРЛ и т. п.) на МГЛ, НЛВД и, отчасти, КЛЛ, а также на достаточно мощные светодиодные ИС. И это должно учитываться российскими светотехническим предприятиями. Первоочерёдные стратегические цели по стабилизации положения в светотехнической отрасли и созданию условий для роста производства и реализации светотехнической продукции – развитие инновационной деятельности по повышению конкурентоспособности изделий (обеспечивающей энергосбережение в их производстве и эксплуатации); подготовка кадров для светотехнической отрасли и их закрепление в ней; повышение инвестиционной привлекательности светотехнической отрасли и защита внутреннего российского светотехнического рынка от незаконного оборота товаров, стимулирование экспорта. Как показывает мировой опыт, один из наиболее эффективных путей выхода из мировых экономических кризисов – серьёзное повышение вложений в науку и в разработки передовых технологий. Одним из средств развития светотехники в России может явиться создание – в соответствии с Распоряжением Правительства России от 12.09.2008 – Технопарка высоких технологий в Саранске, который должен специализироваться на создании новейших технологий в силовой электронике, приборостроении, светотехнике, оптоволоконной и информационной технике, а также на разработке соответствующих приборов нового поколения. Здесь, как планируется, будут рождаться принципиально новые материалы и совершенствоваться биотехнологии, энергосберегающие и информационные технологии. Однако известно, что Технопарки не бывают эффективны без господдержки и наличия мощной научной базы, частных инвестиций, современной инфраструктуры и умелого управления. *** Переживаемый сейчас глобальный экономический кризис не мог не коснуться и светотехнической отрасли России. Но я надеюсь, что он не явится столь уж разрушительным для отрасли, как предыдущий, и что отечественное производство конкурентоспособных энергоэффективных СП, ИС и ПРА для разрядных ламп будет совершенствоваться и шагать в ногу с лучшими достижениями мирового светотехнического производства. Емельянов Николай Иванович, инженер. Окончил в 1969 г. Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва. Исполнительный директор Ассоциации производителей светотехнических изделий «Российский Свет» «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 Сессия МКО в Будапеште С 24 мая по 3 июня 2009 г. в Будапеште состоялась промежуточная сессия Международной комиссии по освещению (МКО), в рамках которой проводилась Международная конференция «Свет и освещение» (27– 29 мая). В форуме, проходившем на территории Университета им. Лорана Этвуша, приняли участие светотехники из более чем 40 стран мира. В работе сессии принимали участие Президент РНК МКО А.Г. Шахпарунянц и секретарь РНК МКО А.М. Гальцев. Работа форума включала три основных этапа – Генеральную Ассамблею, сессию МКО и работу отделений и технических комитетов (ТК) МКО. На заседании Генеральной Ассамблеи, где присутствовали представители всех стран-членов МКО и руководство Комиссии, были представлены отчёты Президента, Вицепрезидентов, Генерального казначея и Генерального секретаря МКО; рассмотрены вопросы, касающиеся выборов в Бюро МКО на период 2011– 2015 гг. и бюджета на 2010–2011 гг, состоялось голосование за внесение изменений в Устав МКО. В своём выступлении ныне действующий Президент МКО г-н Франц Хенгстбергер (ЮАР) особо отметил огромный вклад бывшего Вицепрезидента МКО и Президента РНК МКО Г. Р. Шахпарунянца в дело развития международного светотехнического сотрудничества, светотехнической науки, расширения и укрепления деятельности Международной Комиссии по освещению. Присутствующие на Генеральной Ассамблее почтили минутой молчания память Геннадия Рубеновича. В знак признания его заслуг представителям российской делегации были вручены диплом и награда МКО. Программа Международной светотехнической конференции, которая была организована Национальным светотехническим обществом Венгрии, включала в себя более 40 устных и 72 стендовых презентаций. Конференция проходила с особым акцентом на светодиодах (СД) и освещении ими, что нашло своё отражение в тематике представленных «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4 докладов. Особенно много докладов и презентаций касалось фотометрии СД, разработке национальных стандартов по освещению светодиодами и применению СД в различных областях светотехники. Большой интерес вызвали доклады на тему стандартизации светодиодного освещения в Китае и США, стандартизации и измерении световых параметров светодиодов, доклады по наружному освещению и энергосбережению. Следует отметить, что наряду с оптимистичными выступлениями по развитию освещения светодиодами звучали и более сдержанные оценки перспектив использования СД, особенно в наружном освещении. Так, в докладе тайваньских светотехников (Национальный Тайваньский университет науки и технологий) отмечалось, что в области дорожного освещения светотехнические и экономические параметры СД на сегодняшний день не позволяют им успешно конкурировать с разрядными лампами типа ДНаТ. Заметный прогресс в этой области может начаться только по достижении световой отдачи СД не менее 150 лм/Вт и при их значительном удешевлении при серийном выпуске, что по оценке тайваньских специалистов произойдёт не ранее 2012–2015 гг. С 28 мая по 3 июня в рамках сессии были проведены заседания отделений и ТК МКО. От России в заседаниях принимали участие члены отделения 4 «Освещение и сигнализация на транспорте» и отделения 5 «Наружное освещение и другие применения» В.М. Пчелин и А.А. Коробко соответственно. Помимо обычных процедурных вопросов присутствующие на заседании были ознакомлены с новыми правилами регистрации членов отделений и ТК на сайте Центрального бюро МКО, в основе которых лежат современные информационные технологии, что позволит оперативно осуществлять связь между членами соответствующих структур МКО, вносить свои предложения и поправки по разрабатываемым документам и проводить баллотировку по подготовленным к выпуску рекомендациям и стандартам. Параллельно с заседаниями отделений около 40 ТК провели свои за- седания, многие из которых проходили в жарких дискуссиях. В частности, на заседании ТК 4–15 «Расчёты дорожного освещения», в котором участвовал член этого комитета А.А. Коробко, при обсуждении проекта Рекомендаций МКО по тестированию различных компьютерных программ для расчёта освещения дорог и улиц бурные дебаты развернулись вокруг выработки критериев сравнения результатов расчётов. Продолжились начатые ещё на пекинской сессии МКО дискуссии и по вопросу различий в ряде положений действующих Рекомендаций 140 МКО и европейского стандарта EN 13201–3, посвящённых расчётам дорожного освещения. Новым событием явилось проведение в рамках сессии МКО заседания ТК 169 «Свет и освещение» Европейского комитета по стандартизации (CEN), который разрабатывает евростандарты в области освещения. Другим важным мероприятием стал проведённый ТК 4–47 семинар на тему «Применение светодиодов в освещении и сигнализации на транспорте» по трём направлениям: проблемы измерения, энергоэффективность применения с учётом срока службы и стратегии замены и дорожное освещение светодиодами. Хочется отметить большую подготовительную работу и очень хорошую организацию сессии, осуществлённые Венгерским национальным комитетом МКО во главе с Яношем Шандой. Участникам конференции была предложена интересная культурная программа – концерт органной музыки в старинном соборе св. Анны, вечерняя автобусная прогулка по городу с посещением наиболее значимых и освещённых архитектурных объектов Будапешта, вечерняя прогулка по Дунаю с живописными видами с реки на освещение Цепного моста, Парламента, Рыбацкого бастиона и прочих достопримечательностей. Информация, полученная на Генеральной Ассамблее, конференции и на заседаниях отделений и ТК МКО, непосредственный контакт с иностранными специалистамисветотехниками имеют большую ценность для российских светотехников. А.А. Барцев, А.А. Коробко, кандидаты технических наук 79 Вечер светлых воспоминаний 19 июня 2009 г. в особняке Петра Смирнова, что на Тверском бульваре в Москве, состоялся вечер памяти Геннадия Рубеновича Шахпарунянца, которому исполнился бы 71 год. Пройдя через просторный холл и поднявшись по уставленной цветами лестнице, гости попадают на второй этаж. Будто, встречая их, искренне улыбается им с плакатов хозяин вечера. Струнный квартет негромко играет классическую музыку, гостей приглашают в Романскую гостиную – одно из самых красивых помещений особняка. Старинные дубовые двери закрываются, меркнет свет, смолкают звуки скрипок. Гости рассаживаются, и на экране начинается фильм. Не было в зале такого человека, который не почувствовал бы глубины утраты, будь то коллеги или сокурсники, ученики или друзья. Выступают гости, вспоминают одарённого учёного, блистательного политика и дипломата, талантливого актёра, но, прежде всего, – неординарного и прекрасного человека. Главный инженер ГУП «Моссвет» А.В. Киреев: «Самое яркое моё воспоминание о Геннадии Рубеновиче – это удовольствие от общения с талантливым человеком. Талантливый человек талантлив во всем – сказано точно о Геннадии Рубеновиче! Но среди всех его достоинств есть два, сочетание которых, на мой взгляд, и создавали ту незабываемую атмосферу встреч с ним. Речь идёт об искусстве общения и исключительно внимательного отношения к деталям». Во многом благодаря этим человеческим качествам, у Геннадия Рубеновича было множество друзей по всему миру, ведь он знал языки, его французский был просто великолепен. Вспомнить Геннадия Рубеновича в этот день пришёл его старый друг г-н Пьер Даниель, советник по внешней торговле Франции, специально прилетевший из Парижа. Г-н Даниель так сказал о своём русском друге: «Полный уважения к собственным идеям и к своей стране, Геннадий всегда был образцом честности во всех сферах жизни. Для меня огромная честь быть знакомым с этим человеком, и его уход для всех нас – ни с чем несравнимая потеря. Геннадий Шахпарунянц навсегда останется в сердцах всех его французских друзей. От нас ушёл великий друг». Конечно, нельзя было не сказать о профессиональных заслугах Геннадия Рубеновича – директора ООО «ВНИСИ», Президента светотехнического общества, президента Светотехнической торговой ассоциации, вицепрезидента Международной комиссии по освещению, академика АЭН РФ. Сегодня едва ли кому-то придёт в голову оспаривать масштабы его личности и тот вклад, который он внёс в развитие отечественной светотехники. «Он был предан тому, чем занимался, – вспоминает А.Ю. Федорищев, директор ГУП «Моссвет». – В своё время он отстоял ВНИСИ, не дал ему раствориться в коммерции, а потом сделал всё, чтобы институт сохранил ведущее положение в отрасли. Хочется в этом смысле надеяться на преемственность поколений, благодаря которой светотехника в России сможет развиваться. Объём работы, которую проводил Геннадий Рубенович, никем и никогда не оценивался, однако с уверенностью можно сказать, что он колоссален». «В отце была особенная открытость и живейший интерес к людям, – вспоминает дочь Геннадия Рубеновича А.Г. Шахпарунянц. – К нему всегда обращались за помощью или советом, и он никогда не отказывал. Думаю, каждый мог почерпнуть что-то важное для себя даже из мимолётной встречи с ним. У отца было много учеников. В этом плане он был очень щедрым человеком: делился знаниями и опытом со всеми. Конечно, не у всех получалось брать, но те, кто оставался с ним, никогда не жалели об этом». И эти слова эхом звучат в речах остальных выступавших. Так, сокурсник Геннадия Рубеновича В.Г. Боос вспоминает: «Он был очень внимателен к людям и старался помочь каждому реализовать свой потенциал. Он действительно умел радоваться успехам других». Слово Е.В. Лириной: «Одна из самых главных заслуг Геннадия Рубеновича – это закрепившийся на международной арене имидж российской светотехники. Вклад академика Шахпарунянца в представление нашей страны за рубежом переоценить невозможно: в налаживании отношений с МКО, LUCI, PLDA он играл ключевую роль. И в этом проявляются масштабы его личности: он всегда действовал, прежде всего, в интересах светотехники, думал о развитии, а не о сиюминутной пользе». Множество тёплых и добрых слов ещё было сказано в зале и после, на небольшом фуршете. Каждый из гостей вспоминал своего Геннадия Рубеновича – кто-то, прежде всего, элегантного театрала и ценителя хорошей музыки, кто-то – выдающегося администратора и руководителя, но все без исключения сходились в одном: от нас ушёл большой человек и замены ему не будет. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № 77-1080 от 9 ноября 1999г., выданное Министерством российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций. Тираж 2000. Цена свободная. 80 «СВЕТОТЕХНИКА», 2009, № 4
