Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 12 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Конструирование и производство печатных плат мирового уровня

В самом начале сентября «Центр современной электроники» провел в Москве и Санкт-Петербурге двухдневные семинары «Конструирование и производство печатных плат мирового уровня», в которых приняли участие более 150 слушателей из полутора десятков городов России и Белоруссии. Внимание такой внушительной аудитории продемонстрировало огромный интерес российских специалистов к новейшим тенденциям в области производства печатных плат, что говорит о востребованности самых современных изделий и на отечественном рынке.

Бежать изо всех сил вперед

Читая в прессе об очередной не имеющей аналогов разработке SPIRIT Telecom, поражаешься той кипучей энергии, живому и созидательному духу, которым отличается эта компания на российском рынке программных решений. Блог Андрея Свириденко, председателя правления группы компаний SPIRIT, подтверждает справедливость этой оценки: на веб-странице немало интересных мыслей и выводов, которые позволяют лучше понять проблемы российского рынка хай-тека, причины отсутствия экономической стратегии нашего государства, а также пути выхода из этой вялотекущей ситуации.

Китай показал 8-ядерный процессор с векторной обработкой данных

В последние пять лет китайское правительство вложило 10 млрд долл. в 16 высокотехнологичных проектов, начиная от космической программы до систем очистки воды. Однако большая часть инвестиций пошла на реализацию программы создания китайского процессора и операционной системы.

 

4 октября

Освещение будущего. Энергоэффективность по-датски

Проблема загрязнения окружающей среды становится острее с каждым годом. Значительный вклад в увеличение выбросов парниковых газов вносят несовершенные системы освещения. В статье приведен анализ технологий офисного освещения с точки зрения защиты окружающей среды. Описан комплексный подход к разработке экологичных источников света, примененный в Дании.



С

огласно прогнозам, энергопотребление, приходящееся на долю офисного освещения, к 2020 г. вырастет на 85% относительно уровня 2005 г. Соответственно, в равной степени увеличатся выбросы углекислого газа, и усилятся другие негативные воздействия на окружающую среду, поскольку они непосредственно связаны с производством электроэнергии. Переход на самые передовые технологии, как было отмечено в европейском исследовании критериев безопасности окружающей среды (European Preparatory Study for eco-design requirements), позволит сократить этот прирост только на 20%. Передовые технологии, существующие на сегодняшний день, предполагают использование люминесцентных ламп.

Пока мы далеки от сокращения выбросов даже на 20% к 2020 г. относительно уровня 2005 г. С одной стороны, повышение эффективности расхода энергии может только частично способствовать достижению цели. В то же время датским правительством поставлена иная задача: увеличить долю возобновляемой энергии по крайней мере до 30% во всей потребляемой энергии к 2025 г. при условии, что уровень энергопотребления останется прежним.

Для достижения этих целей требуются технологии, которые направлены не только на использование возобновляемых источников энергии, но и на повышение эффективности расходования ресурса.

Разработка технологий сокращения выбросов CO2 является комплексной задачей и должна решаться с учетом многих факторов. Например, если рассматривать проблему с системной точки зрения, то организация освещения предполагает не только установку источников света, но и понимания принципов их работы. Следует изучить накопленный опыт в этой сфере.

К сожалению, отказ от ламп накаливания не означает мгновенного решения проблемы выбросов парниковых газов. Чтобы снизить негативное воздействие систем освещения, необходимо понять, какой именно элемент или фактор оказывает это воздействие или способствует его усилению. Таким образом, необходимо найти источники света, которые, с одной стороны, обеспечивают более высокую светоотдачу по сравнению с люминесцентными лампами и в то же время имеют более низкое энергопотребление, сохраняя ископаемые виды топлива.

Однако даже в случае если удастся найти подходящее технологическое решение, оно может оказаться неконкурентоспособным из-за не устраненных на стадиях исследования, разработки и коммерциализации слабых мест.

Метод

Потенциал для улучшения существующих технологий можно оценить, рассмотрев полный жизненный цикл осветительной системы с точки зрения защиты окружающей среды. При анализе мы использовали результаты, полученные в исследовании [6], упомянутом выше. В разделе Life Cycle Assessment (LCA) отчета проанализированы возможные варианты осветительных систем с точки зрения потребления и времени службы.

В ноябре 2009 г. компания OSRAM выпустила собственный отчет LCA, в котором сравнила лампы накаливания, КЛЛ и светодиодные светильники (см. стр. 38 этого номера журнала). Результаты этого сравнения также были учтены при проведении анализа.

Технологии

В качестве отправной точки мы взяли люминесцентные лампы на основе три-фосфора (трехполосного люминофора), поскольку именно они считаются лучшими среди существующих решений, согласно заключению исследования [6].

Вторая рассматриваемая технология — осветительные системы на основе белых светодиодов. Она имеет большой потенциал, однако долгое время не применялась из-за низкой светоотдачи 30 лм/Вт (данные за 2006 г.). В настоящее время это препятствие преодолено, светоотдача превысила 100 лм/Вт.

Также будет рассмотрен вопрос применения солнечных элементов для дальнейшего сокращения расхода энергии.

Целью данной статьи является установление основных критериев, которые помогут разработать новую систему освещения, оказывающую меньшее негативное воздействие на окружающую среду, чем позволяет лучшая технология, применяемая в настоящее время.

Для проведения исследования была сформирована рабочая группа, в которую вошли инженеры Designskolen Kolding и Датского технологического университета, специалисты по планированию охраны окружающей среды из университета в Роскилле и представители IBSEN ApS.

Обоснование

Одной из причин, побудившей нас провести данное исследование, послужил тот факт, что в Европе в настоящее время значительная доля энергии тратится на освещение. Даже если запретить лампы накаливания, потребление мощности будет по-прежнему расти. Вторая причина заключается в том, что нельзя допустить дальнейшего роста электропотребления, потому что выбросы СО2 уже сейчас превышают безопасный уровень.

Рост потребления электроэнергии является очень серьезной проблемой, поскольку он происходит в основном за счет увеличения использования ископаемого топлива. Следовательно, производство СО2 будет увеличиваться по мере роста энергопотребления.

По этой же причине необходимо стремиться уменьшать вредные выбросы при повышении уровня предоставляемых услуг. Необходимо найти способ обеспечения освещения с малым расходом энергии. При этом ископаемое топливо должно расходоваться как можно меньше.

Согласно оценкам, для офисных помещений наиболее эффективной технологией являются люминесцентные лампы на основе трехполосного люминофора с электронной ПРА. Однако, если продолжать применять эти лампы, энергопотребление к 2020 г. относительно 1990 г. вырастет на 25%, выбросы токсичных веществ — на 66%, выбросы СО2 — на 30% [6].

Жизненный цикл системы

Для защиты окружающей среды необходимо определить, на каких стадиях жизненного цикла осветительного прибора выбрасывается больше всего вредных веществ, и какой процесс больше всего нуждается в пересмотре.

Таким образом, важно проанализировать эту проблему с учетом всех стадий эксплуатации освещения, а не только жизненный цикл самой лампы.

Эффективность

Показатель эффективности надо рассматривать с трех позиций. В общем виде эффективность — это соотношение между входной и выходной величинами. Даже если система преобразует 100% электричества в свет, это вовсе не значит, что все излучение будет в диапазоне, видимом глазом. Отсюда появляются различные типы эффективности (см. рис. 1): внутренняя квантовая эффективность, внешняя квантовая эффективность и эффективность энергопотребления.

Световой выход может снижаться из-за того, что не все генерируемые фотоны выходят наружу. Для оценки фактического светового выхода пользуются внешним квантовым КПД, который показывает, какое количество электронов поступает в систему и какое количество фотонов выходит из нее.

Третья категория, эффективность расхода энергии, характеризует количество электрической мощности, необходимое для получения данной оптической мощности. Она позволяет оценить, какая доля потребляемой электрической мощности рассеивается, а какая затрачивается на генерацию одного фотона.

Для измерения эффективности преобразования энергии необходимо измерить световой поток и светоотдачу системы.

Под световой эффективностью в нашем анализе понимается электрическая мощность, необходимая для генерации одного фотона (внешняя квантовая эффективность) при высокой световой отдаче, когда излучение попадает только в видимый диапазон и цветовая температура комфортна для восприятия глазом (красная окружность на рисунке 1).

Рис. 1. Виды эффективности

 

Перспективы технологий

Одно из главных препятствий на пути развития осветительных технологий — эффективность использования энергии, которая определяет в т.ч. объем выбросов СО2. Соответственно, важно определить, какая технология среди представленных на рынке имеет наибольший потенциал по улучшению светоотдачи с этой точки зрения. Причем уменьшение энергопотребления и потерь должно достигаться при сохранении качества освещения. Задача делится на две: оценить производительность электронного устройства и эффективность добычи электроэнергии.

Как мы уже говорили, полный жизненный цикл системы рассматривается с точки зрения охраны окружающей среды, после чего оцениваются все возможности улучшения. Анализ выбранных технологий будем проводить по следующим параметрам: энергопотребление, общий объем материалов и ресурсов, расходуемых на производство и обслуживание осветительных приборов, время жизни отдельных продуктов, применяемых при обслуживании всех компонентов системы (осветительных приборов, кабелей, датчиков света, а также процесса получения электроэнергии, см. рис. 2).

Что касается применения люминесцентных ламп в будущем, мы относимся к этому скептически, поскольку они содержат ртуть, а действующие директивы RHoS и WEEE ограничивают применение этого материала. Соответственно, технология вряд ли будет развиваться, и увеличения светоотдачи происходить не будет. Другая перспективная альтернатива, светодиодная технология, в настоящее время находится на ранней стадии развития. Прогнозировать темп увеличения светоотдачи светодиодных ламп пока трудно. Задача еще больше усложняется, поскольку мы должны оценить и другие аспекты (использующиеся материалы, ресурсы или химические вещества).

С другой стороны, даже если мы найдем инновационное решение, подходящее по требованиям безопасности окружающей среды, останутся еще две проблемы: признание потребителем и конкурентоспособность. Действительно, нет гарантии, что новые светильники окажутся удачными с потребительской точки зрения и займут достойное место на рынке. Необходимо продумать механизм достижения этих целей. Это непросто, учитывая, что в данном сегменте уже есть установившиеся правила и традиции, основанные на использовании невозобновляемых источников топлива. Экотехнологии в этом смысле не всегда эффективны и не дают высокую прибыль по сравнению с классическими. Соответственно, они проигрывают с социальной и экономической точек зрения. К сожалению, улучшение состояния окружающей среды — не всегда весомый аргумент для перехода на новые технологии, поскольку продукция и потребление очень ограничены, а конкуренция на рынке сильна.

Итак, нам необходимо обосновать переход на безопасные для окружающей среды технологии с экономической точки зрения. Анализ жизненного цикла (LCA) предлагает брать в качестве базы для сравнения функциональную единицу, то есть услуги, предоставляемые продуктом (см. табл. 1). С введением этого понятия мы получаем количественное выражение продукта или услуги по отношению к объему и времени поиска возможностей изменения продукта, в данном случае лампы. Эти данные требуются ISO для сертификации продукта.

При анализе возможностей улучшения системы освещения важно принимать во внимание такие параметры как светоотдача, цветовая температура, спектральный состав света и мерцание. Можно воспользоваться только количественной оценкой функциональных возможностей, однако при этом не учитываются предпочтения потребителя.

Одним из способов оценки технологии по материальным, экономическим и социальным параметрам является использование концепции «продукт-услуга» (Product-Service Systems), предложенной UNEP в 2000 г. [5]. Системы продукт-услуга определяются как результат инновационной стратегии, сдвигающий акцент с производственной составляющей (проектирование и изготовление) на маркетинговую (продажа продуктов и услуг).

С точки зрения жизненного цикла, залог успеха продукта определяется на этапе проектирования или производства; с точки зрения системы продукт-услуга, он равномерно распределен по всему процессу производства и эксплуатации.

Таким образом, упор делается на продажу не только отдельных продуктов, но и дополнительных возможностей, обусловленных их сочетанием. В итоге тот же объем требований клиента обеспечивается с меньшим воздействием на окружающую среду [5].

В качестве наиболее перспективных технологий мы выбрали светодиодные и оптоволоконные осветительные системы. Уменьшение негативного влияния на окружающую среду достигается, во-первых, за счет сокращения выбросов и ресурсоемкости конечного продукта. Под ресурсами помимо конструкционных материалов понимается уменьшение потребления ископаемых видов топлива. Во-вторых, продукты должны быть конкурентоспособными и производиться с малыми издержками. Это можно достигнуть через оптимизацию ресурсов и снижение расходов.

Согласно [2], для практического решения важно учитывать не только технологические параметры. Раньше, при выборе лампы накаливания, определяющим параметром с социально-экономической точки зрения, была мощность лампы. Но в действительности речь идет о яркости и цветопередаче излучения. Как показывает опыт, распространенные в настоящее время люминесцентные лампы были не сразу приняты потребителями, и до сих пор остается много людей, которым эта технология не нравится. Таким образом, вопрос не только в поиске новых способов освещения, но и в признании потребителей, которым необходимо вреымя, чтобы оценить новые технологии и приспособиться к ним. В социально-экономическом плане следует не только предоставить услугу, но и сделать это удобным для потребителя образом.

Одна из интересных идей относительно офисного освещения в будущем — это использование солнечного света. Большинство офисных пространств используется в дневное время, когда на улице светло. При этом окна занавешивают, чтобы было более комфортно работать. Соответственно, можно поставить накопитель солнечного света, который либо будет производить электроэнергию для освещения, либо направлять солнечный свет по оптическому кабелю в затененные участки помещения.

Для первого способа следует иметь в виду, что фотогальванические собиратели и светодиодные светильники более всего пригодны для работы от отдельной низковольтной системы. В отношении оптического освещения следует помнить об ограничениях: оптоволокно нельзя монтировать так же, как обычные электрические провода, которые нельзя сильно сгибать. Кроме того, в кабеле возникают потери. Для наглядности мы оценили коммерческую осветительную систему на основе оптоволокна с полимерным кабелем длиной 20 м, по которому передается собранный солнечный свет.

Измерения были проведены в Дании в ясную погоду. Полученная диаграмма цветности показана на рисунке 3. Опорная точка (Ref) соответствует солнечному свету, получаемому с улицы, а точка Test — световой сигнал на выходе оптического кабеля. Расстояние между цветами (chromatic distance) для света, выходящего из оптического кабеля, равно 31.10-3, что намного больше предела 5.4.10-3, заданного международным комитетом по освещению CIE. Наблюдаемая зона обесцвечивания — одна из проблем, которые нужно будет решить при применении оптической технологии в будущем.

Перейдем к следующему параметру — стоимости. При оценке системы в целом нужно рассматривать не только стоимость комплектующих, но и затраты на обслуживание. Технологии, позволяющие существенно уменьшить расход энергии, должны быть обоснованы экономически на всем жизненном цикле изделия. Сокращение расходов необходимо проводить с учетом стоимости лампы и эксплуатационных расходов на всем сроке службы.

Какой бы выгодной ни была технология, в первую очередь она должна быть принята потребителем. Необходимо прогнозировать реакцию людей на нововведение [4]. При этом важно как можно раньше выявить возможные причины отказа, например некомфортные цвет и интенсивность света. Если светодиоды не обеспечивают требуемых характеристик, их применение может вызвать негативную реакцию, дискредитируя технологию в глазах потребителя если не навсегда, то на длительное время.

Далее обратим внимание на то, что внедрение инновационных технологий — это процесс, происходящий в несколько этапов. Иногда за основу берется готовое решение, а иногда система разрабатывается с нуля [1]. Например, светодиоды сначала использовались только в автомобильной технике или для декорирования. Впоследствии они перешли в дисплеи, а теперь — в системы общего освещения. Такой переход стал возможен после появления белых светодиодов. Причем для общего освещения их стали применять всего несколько лет назад, т.е. технология находится на самом раннем этапе развития (см. рис. 4). Именно поэтому у них большой потенциал.

Немаловажную роль может сыграть господдержка. Имеются в виду регулятивные ограничения, благодаря которым инновационная технология может выйти на коммерческий рынок. Ограничения должны затрагивать все стадии в исследовании и построении кривой разработки (см. рис. 4), а также в реализации новых идей или их коммерциализации.

Успех и скорый выход на рынок новой технологии немыслимы без обращения в соответствующие учреждения. На каждом этапе распространения привлекаются разные государственные и частные институты. Правильный выбор организаций может повысить эффективность распространения [3]. Следовательно, важно ознакомиться с текущей научной и исследовательской базой в секторе освещения.

Хотя выпуск продукта на рынок традиционно рассматривается исключительно как задача производителя, с точки зрения нововведений в области охраны окружающей среды [1], для успеха вывода полностью инновационных технологий на коммерческий рынок и обеспечения их конкурентоспособности недостаточно только исследования, проектирования и демонстрации. На данной стадии необходимо применять маркетинговые инструменты, чтобы привлечь инвесторов. По сравнению с другими технологиями экологически безопасные системы освещения требуют большие капиталовложения. Например, увеличение жизненного цикла изделия автоматически отдаляет окупаемость проекта, что отпугивает венчурные компании. Тем не менее, это хорошее предложение для государственных организаций — проект не окупится в денежном отношении, однако поможет обеспечить более чистую экологическую обстановку и снизить расход энергии [1], а эти цели не менее важны для государства. Кроме того, появляется возможность создания новых рабочих мест и развития регионов. Это поднимает экономику в целом. Таким образом, политика правительства по поддержанию экологических инноваций не только на руку государству, но и может привлечь больше венчурного капитала в регион, способствуя конкуренции между субъектами страны.

Таблица 1. Функциональный блок

Обязательное требование

Другие требования

Обеспечение светового потока в офисном помещении в 500 лм

– Отсутствие ослепляющего эффекта

– Отсутствие перегрева

– Оптимальный спектральный состав света

– Эстетическая привлекательность

– Возможности регулировки освещения

– Сокращение выбросов СО2

– Индикация «экологически безопасно»

Рис. 2. Структура осветительной системы

 

Рис. 3. Диаграмма цветности
Рис. 4. Этапы развития технологий освещения

Заключение

При проектировании технологий с низким уровнем выбросов углекислого газа очень важно проанализировать существующие решения с точки зрения полного жизненного цикла. Применительно к осветительной технике такой анализ уже частично проведен.

Осветительную систему следует рассматривать не только с материальной точки зрения, но и по другим параметрам. Это позволит использовать свойства, которые нельзя измерить, но которые присущи новой функции в технологическом развитии экологически безопасных технологий, в т.ч. потенциальные возможности для бизнеса.

Также важно учитывать запросы потребителей, чтобы обеспечить конкурентоспособность и оптимальное соотношение между ценой и качеством.

Внедрение инноваций — задача, которая должна решаться на государственном уровне. Нужен комплексный междисциплинарный подход. Если рассматривать переход на экологически безопасные технологии только в рамках одного направления, цель достигнута не будет.

Литература

1. Andersen P.D., Borup M., Olsen MH. «Innovation in energy technologies» // Energy Report 5, Risø National Laboratory, 2006. 21-28.

2. Huber J. «Environmental Policy Shift Through Technological Innovation» // Governance for Industrial Transformation. Proceedings of the 2003.

3. Kjær T., Andersen J. «Implementering af Vedvarende Energykilder i Norden» // Udarbejdet for Energi och Miljögruppen under Nordiske Ministerråd.

4. Rogers E.M. «Diffusion of Innovations».

5. UNEP 2000. «Product-Service Systems and Sustainability».

6. van Tichelen P. и др. «Preparatory Studies for Eco-design requirements of EuPs –Final Report Lot 8: Office Lighting».



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Арасели Бьярклев (Araceli Bjarklev), ENSPAC, университет в Роскилле, Андерс Бьярклев (Аnders Bjarklev), DTU Fotonik, Датский технологический университет



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты