LEDниковый период. Энергосберегающие лампы, на которые только переходит Украина, во всем мире уже начали заменять светодиодами

Рост потребления электроэнергии и ее существенное подорожание в последние десятилетия, необходимость снижения объемов выбросов парниковых газов, вырабатываемых в том числе и электростанциями, заставляет правительства на государственном уровне внедрять меры по повышению энергоэффективности. Одним из таких решений стал массовый отказ от ламп накаливания.

Уже в 2012 г. в ЕС, а в 2014 г. в России оборот ламп накаливания будет запрещен. Однако приходящие им на смену люминисцентные лампы, называемые энергосберегающими, далеко не всегда являются лучшей заменой «лампочкам Ильича». Все больше внимания в мире уделяется светодиодному освещению, пока дорогому, но более эффективному и безопасному источнику света.
Прототипы ламп накаливания появились еще в начале XIX в. В качестве элемента, излучающего свет под воздействием тока, поначалу использовали уголь. Затем — платиновую спираль, углеродное волокно. Уже в 1900-е годы его постепенно начинает вытеснять более долговечная и надежная вольфрамовая нить. Поскольку вольфрам на открытом воздухе окисляется, спиралевидную нить помещают в стеклянную колбу. Вначале ее делали вакуумной, а затем стали откачивать атмосферные газы, в первую очередь кислород, и заменять азотом, криптоном и аргоном. Давление этих газов уменьшает скорость разрушения нити и удлиняет срок службы лампы.

Конец плана ГОЭЛРО

Главными вопросами, которыми задавались ученые во время совершенствования ламп накаливания, были их безопасность, эффективность светоотдачи и долговечность. В целях безопасности были изобретены различного рода предохранители, которые не позволяют каплям раскаленного вольфрама покинуть пределы колбы и стать причиной пожара. Эффективность светоотдачи и долговечность достаточно долгое время оставались понятиями противоположными. Поскольку, например, увеличение напряжения на 20% делало лампы ярче вдвое, но срок жизненного цикла уменьшался на 95%. А вот понижение напряжения в два раза (соответственно, снижение яркости) увеличивает срок жизни в 1000 раз.
Преимуществами ламп накаливания является их невысокая стоимость (в пределах $0,3 за 60Вт), малое время зажигания (мгновенно, поскольку подключается напрямую к сети), отсутствие токсичных компонентов, что делает ненужным создание специальной инфраструктуры по их сбору и утилизации. Единственным ограничением является невозможность их переработки с изделиями из стекла.
Лампы накаливания могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. Кроме того, на них не влияет низкая температура окружающей среды. Лампы можно изготавливать под самое разное напряжение, в работе возможно использование регуляторов яркости.
Однако у этих ламп есть множество недостатков. Во-первых, они имеют достаточно низкую световую отдачу. Характерный желтый свет нельзя назвать даже приближенным к дневному. Цветовая температура такой лампы лежит лишь в пределах 2300–2900 К (Кельвин, единица измерения температуры света), тогда как обычный, комфортный для человека дневной свет имеет температуру 4200 К. При этом коэффициент полезного действия таких ламп не превышает 5%, поскольку большая часть света не видна человеческому глазу и воспринимается в виде тепла.
Во-вторых, такая лампа недолговечна из-за рано или поздно перегорающей вольфрамовой нити. Как правило, ее хватает на три–четыре месяца непрерывной работы (максимум 2,5–3 тыс. часов). Долгое время такую низкую эффективность ламп поддерживали сами производители, организовав в 1920-х годах так называемую Картель Фебус. Сговор заключался в том, что изготовители ламп обязывались технически регулировать срок жизни лампы на уровне не более 1000 часов. Это гарантировало производителям постоянный рост заказов и увеличение прибыли. На долговечность влияют также частота включений (при включении напряжение может повышаться в десятки раз), перепады напряжения в сети. К тому же малейшее повреждение стеклянной колбы делает лампу непригодной к эксплуатации.
В-третьих, такая лампа пожароопасна. Уже через 30 минут после включения температура наружной поверхности достигает, в зависимости от мощности, следующих величин: 40 Вт — 1450С, 75 Вт — 2500С, 100 Вт — 2900С, 200 Вт — 3300С. При соприкосновении лампы с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее. К примеру, солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через час.
Тем не менее из-за отсутствия альтернативы долгое время лампы накаливания были практически незаменимым источником света в большинстве стран мира. Объем потребляемой энергии не считался особым недостатком, поскольку сравнивать было не с чем. Параллельно с их использованием велись лишь некоторые усовершенствования. Например, одним из подвидов ламп накаливания стала галогеновая лампа. Ее принцип работы практически ничем не отличается от обычной лампы, однако в колбу закачиваются галогены или их соединения (преимущественно йод и бром). Они не дают вольфрамовой нити быстро разрушаться, что удлиняет жизнь лампы в два–четыре раза.

Холодная замена
До середины 50-х годов вопросом экономии электроэнергии особо не занимались. Главной задачей было максимальное обеспечение населения, коммунальных служб и предприятий долговечными светильниками. Впервые задуматься об экономии заставил энергетический кризис средины ХХ в. К тому времени уже были изобретены люминесцентные лампы, наполненные люминофором, фактически являющимся ртутным соединением. Первые такие лампы, в которых источником света был газ, а не вольфрамовая спираль, появились еще в средине XIX в. В них использовали азот и углекислый газ, и они испускали бело-розовый свет. Первая ртутная лампа была создана в 1901 г. и светилась уже сине-зеленым. К концу 30-х годов технологии постепенно совершенствовались и лампа дневного света, которую сегодня повсеместно используют в офисных и других нежилых помещениях, школах и больницах, стала приобретать современный вид. Первое поколение таких ламп — длинные трубки, характерным отличием которых является необходимость подключения с двух сторон, а также «гудение» при работе и «моргание» в конце жизненного цикла. Второе поколение — компактные люминисцентные лампы, больше известны как энергосберегающие. Их можно использовать вместо стандартных ламп накаливания, вставляя в такие же патроны и под таким же напряжением, что и «лампочки Ильича». Их внешняя особенность — изогнутые, иногда спиралевидные колбы.
Принцип работы таких ламп несколько отличается от ламп накаливания. Их нельзя напрямую подключать к сети. Для зажигания дуги ей требуется предварительный прогрев электродов и импульс высокого напряжения. После зажигания уровень тока в ней многократно возрастает. Если его не ограничить, лампа выйдет из строя. Поэтому люминесцентные лампы снабжают специальным устройством — балластом (конденсатором). Он регулирует перепады и позволяет сделать включение более плавным и безопасным.
Главные преимущества люминесцентных ламп — значительно большая светоотдача, больший срок эксплуатации и меньшее, чем у лампы накаливания, потребление энергии. Например, люминесцентная лампа на 23 Вт может осветить помещение с такой же интенсивностью, что и 100-ваттная лампа накаливания. Срок их службы может, в отличие от 1–2 тыс. часов обычных лампочек, доходить до 20 тыс. часов. Конечно, свет таких ламп может показаться гораздо более холодным (отдает синим), нежели у ламп накаливания. Именно поэтому первое поколение энергосберегающих ламп получило применение в основном в нежилых помещениях большой площади, где светоотдача играет гораздо большую роль, чем комфорт и уют.
Однако наряду со сравнительной экономичностью и долговечностью люминесцентные лампы имеют и ряд недостатков. Первый и основной — экологическая опасность. В каждой лампе содержится в концентрированном виде или в виде смеси с другими элементами 3–5 мг ртути. Можно представить, какой вред может нанести такая лампа, разбившись, если вспомнить, что предельно допустимая концентрация ртути в воздухе населенных пунктов не должна превышать 0,0003 мг/кв. м. Это, естественно, требует особого подхода к утилизации таких ламп, чем пока, по крайней мере в пределах СНГ, озабочены единичные компании-производители и поставщики.
Второй недостаток — низкочастотный гул от балласта, а также долгий (от 1 до 3 сек.) запуск. Третий недостаток — едва заметное на первых порах, но постепенно усиливающееся мерцание во время работы (стробоскопический эффект — 100 раз в секунду в такт переменному току в сети), а также «мигание» в последние дни жизни лампы. Частые включения-выключения сокращают срок службы лампы до 5000 часов.
Также при использовании большинства видов бытовых ламп из-за синевы света цвет освещаемых ими предметов искажается. Еще одним риском является вред люминесцентного освещения для кожи с повышенной чувствительностью. Слишком близкое положение такой лампы к чувствительным участкам может вызвать как незначительное раздражение, так и экзему. Впрочем, эта проблема решаема с помощью дополнительных «безопасных» герметичных колб, которые защищают от вредного излучения. При этом медики отмечают, что энергосберегающие лампы не вырабатывают канцерогенных веществ. Не отмечено ни одного случая возникновения злокачественной опухоли, который был бы связан с применением этих источников света.
Энергосберегающие люминесцентные лампы нового поколения имеют несколько преимуществ перед старыми «трубками». Во-первых, они не мигают перед выходом из строя, во-вторых, гораздо более экономны. В среднем такие лампы потребляют в 5–6 раз меньше электроэнергии, чем лампы первого поколения. Срок их службы превышает термин ламп накаливания в 8–10 раз. Стоят при этом они не намного дороже — в 2–4 раза (16 Вт лампа-«трубка» стоит $0,5, а энергосберегающая на стандартном цоколе — от $1,3). Это окупается в течение полугода–года эксплуатации. В среднем при замене всех источников света в трехкомнатной квартире на энергосберегающие экономия в месяц составляет до 100 кВт-ч, или 25 грн. по сегодняшним тарифам (300 грн. в год).

Будущее за светодиодами
Сравнительно небольшой уровень экономичности и ряд недостатков, включая негативное влияние на экологию, делают люминесцентные лампы не лучшим заменителем для ламп накаливания. Да и сами ученые считают их тупиковой ветвью развития источников света. Многие страны все больше задумываются о массовом переходе на освещение с помощью светодиодов (light emission diode, LED-технология). Принцип работы светодиодов заключается в том, что свет излучают не нить или газы, а кристаллы, через которые проходит электрический ток. Впервые такое свечение компонентов будущих светодиодов было замечено еще вначале XX в., однако до середины 60-х годов в качестве реальной альтернативы традиционному освещению их не рассматривали. В то время светодиоды использовали исключительно в качестве индикаторов, фиксирующих, например, является ли прибор включенным или выключенным. Постепенно их начали использовать на рекламных табло и дисплеях. С 1985 г. их световой поток увеличился до 1–100 лм (люмен — единица измерения силы светового потока), и они уже стали применяться в качестве отдельных световых элементов, таких, например, как лампы в автомобилях. В 1990 г. светоотдача полупроводников достигла уже 10 лм/Вт (сила светового потока на мощность лампы), что позволило им стать адекватной заменой лампам накаливания.
Поскольку эти световые элементы бывают разных цветов, в зависимости от материала кристалла, то, комбинируя различное число маленьких светодиодов в кластерах, можно достигать самых разнообразных оттенков — до 16 млн цветов. Однако главной задачей для использования светодиодов в приборах бытового освещения является достижение цвета, максимально приближенного по температуре к дневному. Пока наука только движется в направлении открытия чисто белого или максимально приближенного к белому светодиода, то есть материала, благодаря которому такой свет мог бы производиться.
На сегодняшний день главными преимуществами светодиодов являются их компактность (не нужно дополнительного оборудования для подключения к сети, можно впаивать в самые труднодоступные места), экологическая безопасность (не требуют инфраструктуры для утилизации). Кроме того, светодиоды имеют высокий КПД, механическую прочность, вибростойкость благодаря отсутствию спирали и других чувствительных элементов. Также они практически не нагреваются, поэтому являются минимально пожароопасными.
Еще одной положительной характеристикой светодиодов является длительный срок службы (до 100 тыс. часов при небольшом напряжении, то есть аварийном освещении). Но при длительной работе или плохом охлаждении кристалл, который служит полупроводником, постепенно снижает яркость освещения. Поскольку светодиоду не требуются высокие напряжения, а также за счет потребления гораздо меньшего количества электроэнергии (10% от необходимого лампе накаливания для создания того же осветительного эффекта), его можно считать реальной альтернативой энергосберегающим, и уж тем более лампам накаливания.
Существенным препятствием на пути внедрения светодиодного освещения в быту является его высокая цена. Если индикаторы (небольшие лампочки) стоят $0,1 (до 1968 г. стоили около $200 за штуку), то LED-кластер (диодная лампа) на 1,8–2 Вт, который сможет осветить комнату, обойдется уже в $7–10. Пока светодиоды в основном применяются в экранах мониторов. Считается, что производство LED-дисплеев со временем станет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.
Еще одной важной проблемой для использования светодиодов в осветительных приборах бытового назначения является время непрерывной работы, которое у кристаллов, создающих разные цвета, является разным (при этом для белого свечения в кластере необходимо комбинировать красный, зеленый и синий диоды). Чтобы использовать их для освещения подъездов, подземных переходов, складских помещений, где требуется длительная беспрерывная работа и минимум ухода, кристаллы должны излучать свет длительное время, не менее трех–четырех лет. Но дело в том, что красный и зеленый LED’ы могут работать на десятки тысяч часов дольше, чем синий. Такое соотношение неприемлемо для устройств, которые должны иметь коммерческий успех. Поэтому пока массово светодиоды используются только в сотовых телефонах, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения, светофорах, освещении тоннелей, бегущих строках, LED-экранах, автомобильных фонарях, дорожных знаках, наружном и декоративном освещении.
Если удешевление светодиодов — лишь вопрос времени (чем более массовым будет применение, тем больше будет спрос и тем лучше будет ценовое предложение), то решения проблем длительности работы диодов разных цветов, открытия белого светодиода и повышения световой отдачи до максимума комфорта остаются пока открытыми. Впрочем, по словам ученых, если остальные источники света уже практически достигли максимума своих возможностей, то светодиоды работают пока лишь на 10% от потенциала.
Сегодня активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Во-первых, он гораздо прочнее используемых ныне материалов. Во-вторых, первые опыты с уже определенной возможностью создавать на его основе двухцветный светодиод говорят о том, что в скором времени будет создан и трехцветный. Если же материал сможет светиться одновременно красным, зеленым и синим цветом, то при определенном напряжении и комбинации этих световых составляющих можно будет добиться и белого свечения.
Таким образом, энергосберегающее освещение уже в ближайшее время выйдет на качественно новый уровень. С удешевлением LED-технологий затраты человечества на электроэнергию, используемую в бытовых целях для освещения, будут снижаться, а качество света — соответственно, здоровье органов зрения — повысится. Что позволит, кроме всего прочего, нарастить производительность труда и ускорить экономический рост.