Publikacje

Publikacje - Systemy liniowe LED

k.jpg
25 listopad 2015

Systemy liniowe LED

 

Oświetlenie główne stanowią oprawy 2x58W w 20-tu rzędach po 20-cia opraw. Oprawy wyposażone są w stateczniki elektroniczne z ciepłym startem. Znamionowa moc oprawy wynosi 110W. Zastosowane świetlówki trójpasmowe to Master TL-D 58W/840. Oprawy zawieszone są na wysokości 4,40 m. Natężenie średnie oświetlenia wyliczone z pomocą programu Dialux wykazało Em = 707 lx. Pomiary na obiekcie 730 lx, a więc błąd na poziomie 5%jest jak najbardziej dopuszczalny i potwierdza przyjęte założenia obliczeniowe.
 


 

Jak zatem wyglądają koszty eksploatacyjne oświetlenia? Obiekt funkcjonuje przez 4880 godzin w roku przy maksymalnym wykorzystaniu systemu oświetleniowego. Daje to ok. 218MWh zużytej energii rocznie. Przy założeniu kosztów energii na poziomie 0,50 zł za kWh otrzymujemy 109 000,00 zł rocznie. Dodatkowe koszty wiążą się z wymianą źródeł światła. By analiza była dokładna trzeba przyjrzeć się trwałości świetlówki. Trwałość znamionowa 50% świetlówki trójpasmowej wynosi 20 000 h. Oznacza to, że po upływie tego czasu wymienimy połowę źródeł.
 


       Rys. 2. Krzywa życia świetlówki

 

Trwałość 50% dla świetlówki jest określana dla cyklu 1 zapłonu na trzy godziny świecenia. Oznacza to, że dla obiektu jakim jest analizowany sklep cykl wynosi 1 zapłon na 12 godzin świecenia. Z kolejnego wykresu wynika, że trwałość świetlówki wydłuża się do 150% trwałości znamionowej, a więc 30 000 h.


Rys. 3. Trwałość świetlówki w zależności od cyklu świecenia V1


Można również spotkać w literaturze bardziej optymistyczne badania wskazujące na większy wzrost trwałości źródła przy 12-sto godzinnym cyklu. Dla naszego przypadku trwałość 50% wyniosłaby 48 000 h.
 


          Rys. 4. Trwałość świetlówki w zależności od cyklu świecenia V2

 

Myślę jednak, że z uwagi na zachowanie laboratoryjnych warunków badań i sztuczne postarzanie źródeł bezpieczniej będzie oprzeć się na danychwskazujących150% trwałości znamionowej (30 000 h).

Proces wymiany źródeł światła można wyliczyć z funkcji gęstości rozkładu normalnego reprezentowanego przez Rys. 2.:


                                                                                                              

gdzie:

t – czas
–średnia trwałość źródła
σ – odchylenie standardowe z przedziału 0,2  ≤ σ ≤ 0,3  zależnego od rodzaju źródła światła

 

Poniżej przedstawiono wykres obrazujący wymianę świetlówek trójpasmowych, których trwałość średnia wynosi 30 000 h, a roczny czas użytkowania 4 880 h. Jak widać szczyt wymian następuje w siódmym roku eksploatacji systemu i wynosi 23% wymienionych źródeł. W osiemnastym roku następuje stabilizacja i wymiana 17,5% źródeł rocznie. Badania potwierdzają wymianę około 3% źródeł (24sztuki) na obiekcie po 2,5 roku funkcjonowania sklepu, co jest zgodne z poniższym wykresem.


  
Rys. 5. Funkcja wymiany świetlówek w czasie eksploatacji obiektu

 

Z uwagi na analizę kosztów eksploatacyjnych bardziej obrazowy będzie wykres przedstawiający liczbę wymian w sposób narastający w funkcji czasu.
 


Rys. 6. Funkcja narastająca wymiany świetlówek w czasie eksploatacji obiektu

 

Sama wymiana źródła światła nie wiąże się tylko z kosztami źródła, ale w większości przypadków również z kosztami wynajęcia firmy zewnętrznej, budowy rusztowania, wstrzymania funkcjonowania części obiektu lub pracami nocnymi, itp. Jeżeli za koszt początkowy przyjąć wartość 120,00 zł za punkt (dane uzyskane na podstawie badań) i uwzględnić 3% inflację to łączne koszty wymiany będą się kształtowały jak na wykresie poniżej.



Rys. 7. Narastające koszty wymiany świetlówek w czasie eksploatacji obiektu



Warto teraz przyjrzeć się najważniejszym kosztom, a więc energii elektrycznej. Według prognoz przedstawianych przez Ministerstwo Gospodarki ceny energii elektrycznej mają do roku 2030 kształtować się jak na poniższym wykresie.
 


Rys. 8. Prognozowane ceny energii elektrycznej dla przemysłu na podstawie danych Ministerstwa Gospodarki

 

Dla przypomnienia zużycie energii na obiekcie przy obecnym systemie świetlówkowym wynosi218MWh rocznie. Dzisiejszy koszt energii to 0,50 zł/kWh. Koszty energii elektrycznej zużytej na oświetlenie obiektu kształtują się jak na wykresie poniżej.
 


Rys. 9. Koszty świetlówkowego systemu oświetleniowego w funkcji lat funkcjonowania obiektu

 

Pora aby przyjrzeć się rozwiązaniom LED jakie możemy obecnie spotkać na rynku. Jedno z najlepiej dopasowanych rozwiązańdo obecnej sytuacji oświetleniowej to oprawa liniowa LED o strumieniu 9000 lm, temperaturze barwowej 4000 K, współczynniku oddawania barw CRI ≥ 80 oraz trwałości użytkowej gwarantującej utrzymanie strumienia na poziomie ≥ 70% - 50 000 h. Sprawność całkowita oprawy to 100 lm/W.
 


Rys. 10. System oświetlenia liniowego LED

 

Wyniki obliczeń dla tego systemu wyglądają jak na poniższym rysunku.
 


Rys. 11. Wyniki obliczeń dla systemu LED

                                                                                                           

                                      

Jak wynika z powyższych wyliczeń przy zastosowaniu 360 opraw (20x18) uzyskano identyczne natężenie oświetlenia jak w przypadku systemu świetlówkowego. Moc zainstalowana spadła, a co za tym idzie zużycie energii, o 26%.
 


Rys. 12. Podsumowanie wymiany systemu świetlówkowego na system LED


Czy 26% oszczędności energii elektrycznej jest wystarczające do pokrycia poniesionych nakładów i jaki jest czas zwrotu inwestycji pokazuje wykres poniżej. Należy pamiętać, że w teorii powinniśmy uniknąć kosztów związanych z konserwacją systemu. Oświetlenie powinno być bezobsługowe przez wiele lat (nie dotyczy to czyszczenia opraw).



Rys. 13. Porównanie systemów świetlówkowego i LED w przypadku modernizacji


Jak widać czas zwrotu inwestycji wynosi około 11-tu lat. Ponieważ gwarantowany czas utrzymania strumienia świetlnego na poziomie nie niższym niż 70% strumienia początkowego wynosi 50 000 h na wykresie zaznaczono czas, po którym powinna teoretycznie nastąpić wymiana systemu. 11 lat to dość długi czas zwrotu inwestycji. Optymalny czas to 3 lata, a akceptowalny to ok. 5 lat. Czas ten poza tym przekracza teoretyczną żywotność systemu LED, a więc zastosowanie tego rozwiązania jest nieuzasadnione.


Sytuacja mogłaby wyglądać inaczej, gdyby nie była to modernizacja oświetlenia, a nowa inwestycja. Wówczas koszt początkowy byłby różnicą pomiędzy systemem świetlówkowym, a systemem LED. Pokazuje to poniższy wykres.



Rys. 14. Porównanie systemów świetlówkowego i LED w przypadku nowej inwestycji

W przypadku nowej inwestycji czas zwrotu wynosi niecałe 6 lat, a zyski odniesione do żywotności systemu LED wynoszą ok. 300 000 zł. W ten sposób wypracowany zysk pozwala na zainwestowanie w 10-tym roku eksploatacji w nowocześniejszy system oświetleniowy, który będzie bardziej wydajny od dostępnych obecnie na rynku. Taki sposób liczenia w odniesieniu do trwałości systemu LED jest coraz częściej spotykany.


Spróbujmy zatem powrócić do obecnie funkcjonującego obiektu i zbadajmy jakie środki wpływające na skrócenie czasu zwrotu z inwestycji można zaproponować.


Jeżeli obiekt wyposażony jest w świetliki dachowe można przeprowadzić badania, czy ich wielkość, ilość i rozmieszczenie jest odpowiednie aby zastosować system LED z automatyczną regulacją strumienia świetlnego w zależności od udziału światła dziennego.



Rys. 15. Przykłady obiektów ze znacznym udziałem światła dziennego uzyskanego dzięki świetlikom


Przeprowadzone badania w godzina południowych w miesiącu kwietniu wykazały, że natężenie oświetlenia naturalnego w znaczącej części obiektu przewyższa uzyskane za pomocą opraw oświetleniowych. Podważa to zasadność załącza systemu oświetleniowego w ciągu dnia. Są też miejsca pomiędzy świetlikami wymagające doświetlenia światłem sztucznym. Obecnie funkcjonujący system świetlówkowych linii świetlnych nie ma możliwości sterowania poprzez regulację natężenia oświetlenia bądź wyłączenia części opraw. Oświetlenie działa przez cały czas otwarcia obiektu na 100%, a także przez jakiś czas po zamknięciu obiektu dla klientów (układanie towaru, porządki, inwentaryzacja, itp.).


Aby uzmysłowić sobie jak udział światła dziennego różnicuje się nie tylko w ciągu dnia, ale również w ciągu całego roku kalendarzowego należy przyjrzeć się wykresowi poniżej. Odnosi się on do ujednoliconego obszaru Polski.



Rys. 16. Długość dnia na przestrzeni roku kalendarzowego w Polsce 


Aby wyliczyć oszczędności wynikające z udziału światła dziennego w oświetleniu obiektu skorzystamy z przygotowanej do tego celu aplikacji. Na samym początku określamy czas funkcjonowania obiektu (użytkowania oświetlenia).



Rys. 17. Godziny funkcjonowania obiektu


Daje nam to sumaryczną ilość godzin pracy w określonych „porach oświetleniowych”. Margines stanowi czas pomiędzy wschodem słońca i jego optymalną mocą, a także pomiędzy zachodem i całkowitym zmrokiem.


Rys. 18. Ilość godzi w ciągu roku kalendarzowego


Do dalszej analizy należy zasymulować wartości ściemnienia opraw w wybranych porach cyklu dobowego. Od przyjęcia poprawnych wartości na tym etapie zależy dokładność dalszych wyliczeń.



Rys. 19. Udział oświetlenia sztucznego w cyklu dobowym


Z prostego wzoru możemy obliczyć oszczędność wynikającą z zastosowania systemu regulacji natężenia oświetlenia.


(„Dzień” x 0,40 + „Świt-zmierzch” x 0,70 + ”Zmrok” x 1,00) / „Godziny pracy” = (3037 x 0,40 + 655 x 0,70 + 1188 x 1,00) / 4880 = 0,59


Uzyskujemy 41% oszczędności w porównaniu do systemu LED bez ściemniania, a 57% oszczędności w porównaniu do systemu świetlówkowego bez ściemniania.



Rys. 20. Podsumowanie wymiany systemu świetlówkowego na system LED ze ściemnianiem


Zanim podsumujemy czasy zwrotu inwestycji wraz z poniesionymi nakładami należy pochylić się jeszcze nad jednym zagadnieniem związanym z technologią LED. Wiadomo jest, że na żywotność opraw LED składają się dwa zasadnicze czynniki: trwałość L70 (czas, po którym strumień świetlny spadnie do poziomu 70% strumienia początkowego) oraz trwałość układu zasilającego. Zacznijmy od trwałości diod LED.


Zastosowanie systemu ściemniania powoduje zmniejszenie prądu przepływającego przez diody, a co za tym idzie spadek temperatury ich złącza. Przykładowa zależność dla diod XT-E firmy CREE znajduje się poniżej.



Rys. 21. Krzywa spadku strumienia diod XT-E firmy CREE w zależności od temperatury złącza (prąd 1000 mA)



Jak wynika z wykresu dla temperatury złącza 105°C żywotność L70 wynosi 58 000 h, a dla temperatury 55°C już 480 000 h. W zależności od technologii diod LED wartości te mogą się dość znacznie różnić. Jeżeli zatem na skutek ściemniania opraw średnia temperatura złącza wynosi 65° C trwałość LED może przekraczać 300 000 h (61 lat utrzymania strumienia L70 przy 4 880 h/rok).



Rys. 22. Przykład zdjęcia oprawy wykonanego za pomocą kamery termowizyjnej


Pozostaje jeszcze kwestia układu zasilającego. Trwałość układu zasilającego potocznie zwanego zasilaczem wyrażana jest jako MTBF (MeanTime BetweenFailures – średni czas bezawaryjnej pracy) w tysiącach lub milionach godzin. W ujęciu matematycznym MTBF stanowi odwrotność częstości awarii:

 

MTBF = 1 / l

 

gdzie l - częstość awarii. |


Natomiast niezawodność definiowana jest następującą zależnością:
 

R(t) = e -l t = e –t/MTBF 
 

gdzie: R(t) – niezawodność
l - częstość awarii
t – czas pracy
e – stała Eulera ~ 2,718



Na tej podstawie można narysować funkcję prawdopodobieństwa awarii układu zasilającego w funkcji czasu.




Rys. 23. Funkcja prawdopodobieństwa awarii układu zasilającego w czasie dla MTBF=208 000 h

 

Powyższy wykres obrazuje prawdopodobieństwo awarii dla jednego z popularniejszych zasilaczy o MTBF = 208 000 h. Niestety na kształt tej funkcji wpływa również temperatura otoczenia, np. wzrost temperatury wewnątrz oprawy.
 



Rys. 24. Zależność trwałości MTBF od temperatury otoczenia dla zasilaczy o mocach 60W i 30W


Jak wynika z wykresu na Rys. 23. po upływie 20 lat możemy się spodziewać 40% uszkodzeń. Nie jest to równoznaczne z całkowitym defektem układu. Może się to wiązać z niemożliwością utrzymania zadanego prądu lub innych parametrów określonych przez producenta. To z kolei wpływa na pracę całej oprawy oświetleniowej, w tym również żywotność diod LED. Podsumowując, pomimo wzrostu żywotności LED w oprawie na skutek stosowania systemu regulacji strumienia świetlnego nie można oczekiwać czasów względnie bezawaryjnej eksploatacji na poziomie 300 000 h.


Przyjrzyjmy się już ostatniemu zjawisku jakim jest rozwój technologii oświetleniowej. Na dzień dzisiejszy mówimy o technologii LED lub przyszłościowej OLED.
 



Rys. 25. Przewidywany rozwój technologii LED i OLED na podstawie danych U.S. Department of Energy

 

W związku z tak dynamicznym rozwojem nowej technologii planowanie trwałości systemu oświetleniowego na okres dłuższy niż 10 lat jest nieuzasadnione ze względów ekonomicznych. Najprawdopodobniej za 10 lat warto będzie skorzystać z oszczędności poczynionych za pomocą obecnie dostępnej technologii LED i wymienić system na nowy, bardziej wydajny.


Powróćmy zatem do naszych wcześniejszych rozważań związanych ze sterowanym systemem liniowym LED, czasami zwrotu z inwestycji i oszczędnościom poczynionym na przestrzeni najbliższych 10-ciu lat. Rysunek poniżej pokazuje jak będą kształtować się koszty systemu świetlówkowego bez regulacji oraz systemu LED z regulacją natężenia oświetlenia w zależności od rodzaju inwestycji (nowa inwestycja, modernizacja).
 



Rys. 26. Porównanie systemów świetlówkowego bez  sterowania i LED ze sterowaniem w zależności od rodzaju inwestycji


Tym razem modernizacja zwraca się po niecałych 8-miu latach i przynosi ok. 300 000 zł oszczędności, a nowa inwestycja po niecałych 5 latach i przynosi ok. 600 000 zł oszczędności. W tym przypadku można się jednak pokusić o dłuższe eksploatowanie systemu z uwagi na wydłużoną trwałość opraw LED.

 


Rys. 27. Porównanie systemów świetlówkowego bez  sterowania i LED ze sterowaniem na przestrzeni 20-tu lat eksploatacji

 

Osiągnięte rezultaty to 1 500 000 zł oszczędności dla modernizacji i 1 750 000 zł dla nowej inwestycji.



       Rys. 28. Podsumowanie zastosowania systemu LED w porównaniu do systemu świetlówkowego T8 bez sterowania


Należy pamiętać, że wszystkie wyżej przedstawione wyniki odnoszą się do konkretnych sytuacji oświetleniowych i uwarunkowań rynkowych (ceny energii, eksploatacji, itp.). Dla każdego przypadku należy rozpatrywać je indywidualnie.


Warto zwrócić uwagę, że na Rys. 25. prognozującymrozwój technologii LED w okolicach roku 2015 zaprzestano spekulować na temat rozwoju innych źródeł światła. Po osiągnięciu zdecydowanej przewagi technologicznej systemów LED (lm/W oraz lm/$) nie będzie zasadności stosowania innych systemów oświetlenia. Czas ten się zbliża, a w zasadzie już nastąpił.


Po więcej informacji zajrzyj także na http://www.vitomle.pl/

 

Mgr inż. Tomasz Przytarski