LED-ефект — світить і заощаджує
Упровадження надекономічних світлодіодних ламп гальмується через недостатнє фінансування.
У багатьох пристроях — ліхтариках, автомобільних фарах, святкових гірляндах — нові, незвичні поки світлодіоди вже потіснили «лампочку Ілліча» з вольфрамовими нитками усередині. А в найближчому майбутньому, за твердженням учених, мають цілком їх замінити.
Що таке світлодіодні лампи і яке їхнє майбутнє в Україні, розповідає Віктор Сорокін, керівник державної програми з упровадження світлодіодів, професор Інституту фізики напівпровідників ім. В. Лашкарьова НАН України.
— Вікторе Михайловичу, коли впроваджується будь-яке ноу-хау, найперше оцінюється економічна доцільність. Що ми матимемо в цьому випадку?
— Наведу простий розрахунок: якщо ми замінимо 5 мільйонів ламп розжарювання потужністю 100 ватів на 5 мільйонів 10-ватних світлодіодів (за 10-годинної роботи на добу), то це дасть економію електроенергії 2 мільярди кВт·год. на рік. За вартості електроенергії близько 5 центів за кВт·год. економія становитиме близько 100 мільйонів доларів щорічно.
При цьому наука й технології ставлять нові рекорди, дозволяючи досягти все більшої й більшої світловіддачі. За прогнозами, у наступні роки світлова ефективність світлодіодів порівняно з лампами розжарювання зросте в 20 разів. Такі цифри змушують уживати серйозних заходів для того, чтоб поставити хрест на лампах розжарювання й створити умови для впровадження в Україні LED-ламп.
— Які ще переваги світлодіода?
— За належного відведення тепла він мало нагрівається, що робить його в багатьох випадках незамінним. Крім того, світлодіод випромінює у вузькій частині спектра, його колір чистий, а УФ- і ІЧ-випромінювання, як правило, нема. Він механічно міцний і надзвичайно надійний, його термін служби може досягати 50—100 тисяч годин, або 6—12 років безперервної роботи. Це майже в 100 разів більше, ніж у лампочки розжарювання, і в 5—10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи. Нарешті, світлодіод — низьковольтний електроприлад, отже, безпечний.
У багатьох країнах уже ухвалено закони, які забороняють використання ламп розжарювання. Так, із 2012 року в Євросоюзі цілком припинять їхній продаж. Із 1 вересня 2009 року заборонили продаж лампочок потужністю 100 Вт, наступного року така ж доля спіткала 75-ватні, у 2011-му настане черга 60-ватних, і до вересня 2012-го будуть заборонені навіть найслабші — 40 — 25-ватні лампи. З огляду на короткий термін служби «лампочки Ілліча», до 2015 року ЄС повністю відмовиться від них. Усім користувачам доведеться перейти на світлодіоди.
— Що ж робиться в нас для впровадження LED-ламп?
— Ще в 2008 році ухвалили державну програму з розробки та впровадження світлодіодних енергозбережних джерел світла й освітлювальних систем на їхній основі. Мета її зрозуміла: у країні необхідно замінити застарілі малоефективні лампи розжарювання на більш ощадливі джерела світла. Для цього треба створити нову вітчизняну галузь: підготувати наукову та матеріальну базу для виробництва світлодіодних джерел, розробити свої освітлювальні пристрої, ухвалити стандарти — технічні та медичні — з їхнього випуску тощо. Програмою передбачено на світлодіодну тематику 200 мільйонів гривень на 5 років. Так, у держбюджеті на 2009 рік планувалося виділити 50,44 мільйона гривень. На жаль, тоді ми одержали лише 5,7 мільйона й приблизно стільки ж — торік, що значно загальмувало розвиток світлодіодної галузі. Повторюю: виграш міг становити не менше 100 мільйонів доларів, а через недофінансування ми їх втратили. У цьому я бачу колосальну несправедливість.
— Чому для світлодіодів потрібні такі великі інвестиції?
— Щоб зробити їх і підготувати все для заміни ламп розжарювання, треба розв’язати безліч проблем. Насамперед — питання технологічні: необхідно створити самі світлодіоди — випромінювальну частину. Це дуже складне виробництво, у ньому задіяні найсучасніші нанотехнології. У світі лише п’ять великих компаній, які виробляють сапфірові пластини — підкладки, на яких потім вирощують світлодіоди в спеціальних розчинах. Ці фірми завоювали ринок якістю продукції. Є ще десяток-півтора дрібних виробників. За сьогоднішніх стартових умов українським фірмам самостійно наздогнати лідерів фактично неможливо.
— Які технологічні проблеми виникають у процесі створення не LED-кристалів, а самих світильників?
— Через маленький кристалик світлодіода проходить величезний струм. Це не міліампери, як у лампах розжарювання, а ампери. Тому вся система дуже нагрівається. Тепло треба відводити, отже, пристрою необхідний радіатор. Крім того, усередину лампи треба впакувати електроніку, яка перетворює стандартну змінну напругу 220 вольтів на постійну — 3 вольти й тримає її стабільно за будь-якої температури. Усю цю конструкцію треба помістити в оболонку, у неї має бути такий же цоколь, як у звичних ламп. Нарешті, оптика й дизайн. Світлодіод, на відміну від лампи розжарювання, світить вузькоспрямованим пучком. Отже, якщо ми хочемо вкрутити нову лампу в стару люстру, треба розробити таку оптику, що дозволяла б цей тонкий пучок змінити й спрямувати в усі боки. А елегантний дизайн має надати джерелу світла товарного вигляду.
З огляду на все це, у програму зі світлодіодів було закладено такі завдання: створення нових матеріалів для LED-ламп, розробка та модернізація технологій виробництва, створення величезного класу нових світлотехнічних приладів, організація виробництва на великих підприємствах і, нарешті, метрологічне забезпечення. Потрібні ДСТ, що захищають українського виробника. Необхідні медико-біологічні дослідження впливу нового світлодіодного освітлення на здоров’я людини — зір, нервову систему, на стомлюваність тощо.
Щоб почати реалізацію цих проектів, нам довелося організувати в Україні так званий науково-технологічний інноваційний кластер, у якому об’єднались п’ять наукових інститутів НАНУ, три технопарки, державні й приватні промислові підприємства. Хотілося б, щоб цьому напрямку держава надала певні пільги для поставки в Україну наукового обладнання та матеріалів.
— Якщо ми визнаємо, що не спроможні наздогнати кращі фірми світу, які виробляють світлодіоди, то навіщо організовувати в себе їхній випуск? Так чи інакше, але закуповувати доведеться.
— Самі напівпровідникові LED-кристали ми дійсно не вироблятимемо. Я вважаю, в Україні треба побудувати власне складальне виробництво світлодіодів за принципом спільного підприємства з одним зі світових лідерів світлодіодної галузі. Наприкінці березня наша велика делегація літала у Сеул домовлятися з таким грандом. Купуватимемо в нього готові пластини зі світлодіодами (їх там кілька сотень), різатимемо на окремі чипи й на їхній основі випускатимемо вітчизняні вироби.
Крім того, цього року ми створили українську Асоціацію виробників світлодіодної техніки. Це близько 20 компаній, і кожна винаходить або робить щось своє, має свою «грядку» на цій ниві. Ми готові взаємодіяти з урядом і наситити ринок України новими світильниками різного призначення.
— Які успіхи цих підприємств, що вже вдалося зробити?
— На основі закуплених у іноземних виробників партій гетероепітаксиальних структур у нас створені свої світлодіодні лампи для багатьох сфер застосування. Майже все, що є у світі, ми випробували, протестували, визначивши наше місце у світовому спектрі. Якщо брати для наших приладів добрі світлодіоди від визнаних виробників, то й вироби будуть якісними. А питання оптики, тепловідводів, радіаторів, загальні конструктивні ми розв’язали. На заводі «Газотрон-Люкс» у Рівному вже впроваджене виробництво 12 типорозмірів ламп із різними цоколями. Торік випущено першу партію — 1000 штук. Вона майже вся піде на тестування для точного визначення характеристики продукції. Уже зараз можна сказати, що досягнуто ефективності 60—80 люменів/ватів, тобто вона наблизилася до ефективності компактних люмінесцентних ламп. У фірмах та інститутах галузі розроблені всі елементи вітчизняних світлодіодних джерел, стельові світильники оригінальної конструкції, хірургічна безтіньова лампа. Для демонстрації можливостей нового обладнання ми впровадили в Києві великі ілюмінаційні системи — на Хрещатику, вулицях Грушевського й Червоноармійській.
У лабораторії нашого інституту ми проводимо вимірювання всіх параметрів створюваних в Україні світлодіодних ламп. Результати добрі — відповідають міжнародним стандартам. Торік ми розробили п’ять українських стандартів із LED, готуємо ще п’ять.
— Ви не боїтеся, що поки ми впроваджуємо ці технології, у світі винайдуть ще більш досконалі?
— Як тільки у світі з’являться нові світлодіоди, вони відразу поставлятимуться в Україну або вироблятимуться в ній і монтуватимуться в ті ж корпуси ламп. Це довгогральний проект.
— Але зараз люди купуватимуть вже наявні в продажі світильники. Через рік вони застаріють — і що, треба їх викидати, купувати нові?
— Хочу, щоб був зрозумілий важливий момент: зараз ніхто світлодіодні лампи не купуватиме! Жодної! Поки ціна світлодіодів велика й вартість світла від них вище, ніж і в ламп розжарювання, і в люмінесцентних ламп. Сьогодні, звичайно, пенсіонер не купить лампу за 100—120 гривень. Однак, за прогнозами фахівців, до 2015 року ціна на світлодіодні лампи буде не вище, ніж на люмінесцентні такої ж потужності. А з 2011 по 2014 рік усе випущене в цій галузі має купувати держава. Інакше ідея із впровадженням світлодіодів буде похована. Саме державі вигідно заощаджувати електроенергію — вона й зобов’язана вкласти в цей проект достатні інвестиції. Категорично неправильно говорити, що коли сьогодні світлодіодні світильники надійдуть на ринок, то їх відразу розберуть, — їх в усьому світі не розкуповують. У Європі 5-ватна лампа коштує 20 євро, покупців на неї небагато. Але держава має заздалегідь створювати цю нову галузь, готувати все для її розвитку. Якщо ми займемося цим тільки в 2015 році — програємо. А поки треба впроваджувати світлодіодні світильники в бюджетну сферу: заміняти ними лампи розжарювання в офісах, у ЖКГ, у вуличних світильниках. Економія — величезна, окупність — 2—2,5 роки. Уточню: тут треба враховувати не тільки ціну лампи, а й вартість її обслуговування, адже заміняти світлодіодні прилади, на відміну від ламп розжарювання, майже не доведеться. Тому державі вигідно впроваджувати світлодіоди вже сьогодні.
— Багато ліхтариків, які продаються у вуличних кіосках, працюють на світлодіодах. Чому їхня ціна (50—100 гривень) не набагато вище звичайних? З іншого боку, вартість світлодіодних приладів для автомобілів зашкалює за тисячу гривень. У чому тут проблема?
— Ліхтарики в кіосках китайські. Якість їх низька, світність слабка. Це світлодіоди попереднього покоління. А в автомобілях застосовуються LED-лампи новітніх конструкцій, які дають добре світло за низького споживання електрики, що важливо для машин, які працюють від акумуляторів. Автомобілісти відразу відчули різницю.
Довідка «УТГ»
Світлодіод — напівпровідниковий прилад, який перетворює електричний струм безпосередньо у світлове випромінювання. Англійською він називається light emitting diode, або LED. Світіння виникає в ділянці напівпровідникового p-n-переходу, який являє собою складну гетероструктуру, одержати яку можна лише з використанням сучасного технологічного обладнання. Саме за розробку таких напівпровідникових гетероструктур російський фізик академік Жорес Алфьоров здобув Нобелівську премію 2000 року.
Фактично в будь-якому сучасному побутовому або промисловому електронному приладі можна знайти світлодіод як індикаторний елемент. Це звичайно слабкопотужне джерело світла, необхідне лише для індикації стану приладу. Лише пару десятиліть тому ідея використання світлодіодів в освітлювальній техніці здавалася фантастикою.
Зараз у цій галузі здійснено колосальний прорив, з’явилися пристрої, які за коефіцієнтом перетворення «електроенергія — світло» залишили далеко позаду не тільки традиційну лампу розжарювання, а й газорозрядну (люмінесцентну), що прийшла їй на зміну. Світлодіодна лампочка, яка споживає 10 ватів електроенергії, уже випромінює світла більше, ніж 100-ватна лампа розжарювання. Тобто дає 10-разову економію електроенергії.
