Oszczędne źródła światła
Energia elektryczna m.in. służy również do oświetlenia. Szacuje się, że prawie co czwarta elektrownia produkuje energię elektryczną tylko do celów oświetleniowych. Gdyby wydajność świetlna elektrycznych źródeł światła wzrosła w sposób istotny, to można by oszczędzać energię i zrezygnować z pracy wielu elektrowni, chroniąc zasoby naturalne i środowisko!
Analiza wydajności świetlnej
Najwyższa możliwa wydajność świetlna elektrycznych źródeł światła emitujących barwę zieloną, przy której oko ludzkie ma maksymalną czułość, wynosi 683 lumenów (lm) na wat (W) dostarczonej mocy elektrycznej. Oznacza to, że gdy wydajność świetlna źródła światła emitującego barwę zieloną wynosi 683 lm/W, to dostarczona energia elektryczna jest całkowicie zamieniana na światło. Niestety, jak dotąd tak wydajnych źródeł światła nie ma. Wśród tych zbliżonych do jednobarwnych najbardziej wydajne i najczęściej używane w praktyce są lampy sodowe, święcące na żółto. Lampy sodowe, szczególnie niskociśnieniowe, osiągają wydajność ok180 lm/W i są używane do oświetlenia placów i ulic.
Jednobarwne źródła światła z różnych powodów nie mogą jednak służyć do oświetlenia mieszkań i miejsc pracy. Do tych celów konieczne jest światło białe o odpowiednim składzie widmowym, przyjazne także dla oka. Wypadkowa czułość oka na światło białe zależy od efektu świetlnego powodowanego przez barwy wchodzące w skład światła białego. Wrażliwość oka na różne barwy składowe światła białego jest mniejsza niż dla barwy zielonej i na krańcach widma światła białego dąży do zera. Stąd, maksymalna teoretyczna wydajność świetlna źródła światła białego musi być znacznie niższa niż światła o barwie zielonej. Przyjmuje się, że efektywność zasilanego prądem elektrycznym, idealizowanego źródła światła białego wynosi ok. 200 lm/W.
Obecnie używane do oświetlenia elektryczne źródła mają wydajność świetlną znacznie niższą od możliwych wartości teoretycznych – zarówno dla źródeł barwnych światła, jak i dla źródeł światła białego.
Żarówki emitujące światło białe, używane do celów oświetleniowych, mają wydajność od 10 do 15 lm/W. Wyższą efektywność posiadają żarówki halogenowe. Wynika to stąd, że w żarówkach tylko niewielka część dostarczonej energii elektrycznej jest zamieniana na światło, natomiast pozostała rozprasza się w postaci ciepła. Używanie żarówek do oświetlenia jest więc istotnym marnotrawstwem energii. Z tego powodu Australia wprowadziła nawet formalny zakaz używania żarówek do celów oświetleniowych.
Znacznie większą wydajność świetlną mają różnego typu świetlówki, używane powszechnie do oświetlenia. Te świecące przyjaznym światłem białym odznaczają się wydajnością od 30 do 60 lm/W, przy czym otrzymana w laboratoriach maksymalna efektywność świetlna świetlówek świecących światłem białym nie przekracza 105 lm/W. Wydajność świetlna świetlówek jest więc znacznie większa od wydajności żarówek, ale dalej jest odległa od możliwej maksymalnej wydajności świetlnej źródeł światła białego.
Z powyższych danych wynika, że obecnie najbardziej efektywne, standardowo używane do oświetlenia źródła światła mają wydajność nieco ponad 30% teoretycznych możliwości. Istnieje więc potencjalna szansa znacznych oszczędności energii elektrycznej w skali masowej.
Analizując tę kwestię, należy zwrócić uwagę na to, że używane do oświetlenia źródła światła nie zamieniają bezpośrednio prądu elektrycznego na światło, a czynią to w wyniku kilku pośrednich procesów. Każdy z nich zachodzi z wydajnością mniejszą od jedności i stąd efektywność zamiany dostarczonej mocy elektrycznej na emitowaną moc optyczną jest znacznie mniejsza od jedności. Należy także zauważyć, że obecnie przy najwyższej wydajności źródeł światła białego jakość tego promieniowania nie zawsze jest zadowalająca. Oznacza to, że często emitowane promieniowanie nie zawiera światła o odpowiednim natężeniu wszystkich barw wchodzących w skład widma.
Diody – wady i zalety
Oczekuje się, że źródłami światła, które będą pozbawione wielu dotychczasowych wad, staną się diody elektroluminescencyjne. Świecą one w wyniku bezpośredniej rekombinacji w półprzewodniku nośników ładunku przeciwnego znaku.
Powstające w wyniku rekombinacji nośników ładunku światło może być emitowane z dużą wydajnością. Aby była ona była wysoka, muszą zanikać rekombinacyjnie wszystkie nośniki ładunku wprowadzone do półprzewodnika, a powstające w tym procesie optyczne stany wzbudzone powinny świecić z bardzo dużą wydajnością w obszarze widzialnym widma optycznego.
Pierwsze elektroluminescencyjne źródła światła, zwane diodami, wprowadzone zostały do użycia w latach 70-tych ubiegłego wieku. W diodach z tego okresu w celu uzyskania świecenia elektroluminescencyjnego używane były odpowiednie półprzewodniki nieorganiczne. Diody te określa się w skrócie akronimem LED (skrót pochodzi od angielskiej nazwy diody – light emitting diode).
Wydajność nieorganicznych diod elektroluminescencyjnych, produkowanych obecnie przemysłowo do celów oświetleniowych, jest porównywalna z świetlówkami. Diody LED często zastępują dotychczasowe barwne oraz białe źródła światła, zwłaszcza małej mocy i są w powszechnym użyciu. Opracowane do 2020 r. prognozy rozwoju diod LED przewidują istotny wzrost wydajności świetlnej, zbliżający wydajność tych diod nawet do wartości teoretycznej.
Diody LED mają też istotne wady. Świecą zwykle punktowo, niezbyt dobrze emitują kolor niebieski oraz są względnie drogie do celów oświetleniowych. Badania i poszukiwania nowych, wydajnych źródeł światła nadal są zadaniami dla naukowców i inżynierów.
Pod koniec lat 90-tych ubiegłego wieku nastąpił gwałtowny rozwój technologii wytwarzania diod elektroluminescencyjnych, wykorzystujących do świecenia materiały organiczne. Diody zbudowane z materiałów organicznych, w odróżnieniu od diod zbudowanych z materiałów nieorganicznych (LED), określane są skrótem OLED (organic light emitting diode). Świecenie elektroluminescencyjne materiałów organicznych odbywa się nieco na innej zasadzie niż nieorganicznych oraz inna jest ich budowa, technologia wykonania i właściwości.
Odmienne cechy diod OLED względem innych źródeł światła powodują, że diody te doskonale odwzorowują barwy składowe światła białego, mogą być budowane jako cienkie, giętkie elementy świecące i są tanie w produkcji. Świecące diody elektroluminescencyjne OLED mogą mieć postać dużych powierzchni świecących o przekątnych do jednego metra, a to w wyniku zupełnie nowych technologii wytwarzania, takich jak drukowanie odpowiednich elementów świecących na elastycznych podłożach.
Postęp technologiczny w rozwoju diod OLED
Mimo że okres intensywnego rozwoju technologii diod OLED nie przekracza 10 lat, są one już wytwarzane przemysłowo przez wiele firm elektronicznych. Diody OLED, emitujące światło białe, mają wydajność w zakresie od 20 do 60 lm/W, co jest porównywalne z wydajnością uzyskiwaną przez klasyczne diody LED oraz współczesne świetlówki. Maksymalna laboratoryjna wydajność świetlna uzyskana przez diodę OLED, emitującą światło zielone, wynosi 110 lm/W przy jaskrawości 1000 cd/m2. (Novaled, Phillips).
Okres rozwoju technologicznego diod OLED jest jeszcze niezbyt długi, a parametry świetlne tych źródeł światła już osiągnęły doskonałe rezultaty i ciągle doskonalone. W ciągu najbliższych kilku lat planowane jest uzyskanie wydajności świetlnej diod OLED wynoszącej ok. 150 lm/W i jest to zadanie możliwe do zrealizowania. Realnym problemem do rozwiązania pozostaje także uzyskanie dłuższego czasu pracy diod OLED. Obecnie średni czas pracy diod OLED w różnego typu urządzeniach (wyświetlacze, ekrany telewizyjne, źródła światła itp.) wynosi ok. 10000 godzin.
Diody OLED mają jeszcze dodatkowe zalety. Jako źródła światła są cienkie i mogą emitować światło w postaci kolorowych obrazów lub tapet umieszczonych na ścianach pomieszczeń mieszkalnych lub użytkowych. Dodatkowo, generowane przez takie źródła światła obrazy mogą być łatwo zmieniane. Modyfikowany może być także udział składowych widma światła białego w emitowanym promieniowaniu i w wyniku tego pomieszczenia oświetlane są światłem białym lub barwnym z tego samego źródła.
Powyższe możliwości wykorzystania i rozwoju diod zarówno LED, jak i OLED spowodują, że w najbliższych dziesięcioleciach dokonana zostanie istotna rewolucja w technice oświetleniowej.
Oczekiwana do 2020 r. co najmniej dwukrotna poprawa wydajności elektroluminescencyjnych źródeł światła spowoduje zmniejszenie realnego zapotrzebowania na energię elektryczna o co najmniej 10%, co będzie znaczącą oszczędnością zasobów i środowiska.
prof. dr hab. Jan Godlewski
Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej,
Politechnika Gdańska
Śródtytuły od redakcji
Analiza wydajności świetlnej
Najwyższa możliwa wydajność świetlna elektrycznych źródeł światła emitujących barwę zieloną, przy której oko ludzkie ma maksymalną czułość, wynosi 683 lumenów (lm) na wat (W) dostarczonej mocy elektrycznej. Oznacza to, że gdy wydajność świetlna źródła światła emitującego barwę zieloną wynosi 683 lm/W, to dostarczona energia elektryczna jest całkowicie zamieniana na światło. Niestety, jak dotąd tak wydajnych źródeł światła nie ma. Wśród tych zbliżonych do jednobarwnych najbardziej wydajne i najczęściej używane w praktyce są lampy sodowe, święcące na żółto. Lampy sodowe, szczególnie niskociśnieniowe, osiągają wydajność ok180 lm/W i są używane do oświetlenia placów i ulic.
Jednobarwne źródła światła z różnych powodów nie mogą jednak służyć do oświetlenia mieszkań i miejsc pracy. Do tych celów konieczne jest światło białe o odpowiednim składzie widmowym, przyjazne także dla oka. Wypadkowa czułość oka na światło białe zależy od efektu świetlnego powodowanego przez barwy wchodzące w skład światła białego. Wrażliwość oka na różne barwy składowe światła białego jest mniejsza niż dla barwy zielonej i na krańcach widma światła białego dąży do zera. Stąd, maksymalna teoretyczna wydajność świetlna źródła światła białego musi być znacznie niższa niż światła o barwie zielonej. Przyjmuje się, że efektywność zasilanego prądem elektrycznym, idealizowanego źródła światła białego wynosi ok. 200 lm/W.
Obecnie używane do oświetlenia elektryczne źródła mają wydajność świetlną znacznie niższą od możliwych wartości teoretycznych – zarówno dla źródeł barwnych światła, jak i dla źródeł światła białego.
Żarówki emitujące światło białe, używane do celów oświetleniowych, mają wydajność od 10 do 15 lm/W. Wyższą efektywność posiadają żarówki halogenowe. Wynika to stąd, że w żarówkach tylko niewielka część dostarczonej energii elektrycznej jest zamieniana na światło, natomiast pozostała rozprasza się w postaci ciepła. Używanie żarówek do oświetlenia jest więc istotnym marnotrawstwem energii. Z tego powodu Australia wprowadziła nawet formalny zakaz używania żarówek do celów oświetleniowych.
Znacznie większą wydajność świetlną mają różnego typu świetlówki, używane powszechnie do oświetlenia. Te świecące przyjaznym światłem białym odznaczają się wydajnością od 30 do 60 lm/W, przy czym otrzymana w laboratoriach maksymalna efektywność świetlna świetlówek świecących światłem białym nie przekracza 105 lm/W. Wydajność świetlna świetlówek jest więc znacznie większa od wydajności żarówek, ale dalej jest odległa od możliwej maksymalnej wydajności świetlnej źródeł światła białego.
Z powyższych danych wynika, że obecnie najbardziej efektywne, standardowo używane do oświetlenia źródła światła mają wydajność nieco ponad 30% teoretycznych możliwości. Istnieje więc potencjalna szansa znacznych oszczędności energii elektrycznej w skali masowej.
Analizując tę kwestię, należy zwrócić uwagę na to, że używane do oświetlenia źródła światła nie zamieniają bezpośrednio prądu elektrycznego na światło, a czynią to w wyniku kilku pośrednich procesów. Każdy z nich zachodzi z wydajnością mniejszą od jedności i stąd efektywność zamiany dostarczonej mocy elektrycznej na emitowaną moc optyczną jest znacznie mniejsza od jedności. Należy także zauważyć, że obecnie przy najwyższej wydajności źródeł światła białego jakość tego promieniowania nie zawsze jest zadowalająca. Oznacza to, że często emitowane promieniowanie nie zawiera światła o odpowiednim natężeniu wszystkich barw wchodzących w skład widma.
Diody – wady i zalety
Oczekuje się, że źródłami światła, które będą pozbawione wielu dotychczasowych wad, staną się diody elektroluminescencyjne. Świecą one w wyniku bezpośredniej rekombinacji w półprzewodniku nośników ładunku przeciwnego znaku.
Powstające w wyniku rekombinacji nośników ładunku światło może być emitowane z dużą wydajnością. Aby była ona była wysoka, muszą zanikać rekombinacyjnie wszystkie nośniki ładunku wprowadzone do półprzewodnika, a powstające w tym procesie optyczne stany wzbudzone powinny świecić z bardzo dużą wydajnością w obszarze widzialnym widma optycznego.
Pierwsze elektroluminescencyjne źródła światła, zwane diodami, wprowadzone zostały do użycia w latach 70-tych ubiegłego wieku. W diodach z tego okresu w celu uzyskania świecenia elektroluminescencyjnego używane były odpowiednie półprzewodniki nieorganiczne. Diody te określa się w skrócie akronimem LED (skrót pochodzi od angielskiej nazwy diody – light emitting diode).
Wydajność nieorganicznych diod elektroluminescencyjnych, produkowanych obecnie przemysłowo do celów oświetleniowych, jest porównywalna z świetlówkami. Diody LED często zastępują dotychczasowe barwne oraz białe źródła światła, zwłaszcza małej mocy i są w powszechnym użyciu. Opracowane do 2020 r. prognozy rozwoju diod LED przewidują istotny wzrost wydajności świetlnej, zbliżający wydajność tych diod nawet do wartości teoretycznej.
Diody LED mają też istotne wady. Świecą zwykle punktowo, niezbyt dobrze emitują kolor niebieski oraz są względnie drogie do celów oświetleniowych. Badania i poszukiwania nowych, wydajnych źródeł światła nadal są zadaniami dla naukowców i inżynierów.
Pod koniec lat 90-tych ubiegłego wieku nastąpił gwałtowny rozwój technologii wytwarzania diod elektroluminescencyjnych, wykorzystujących do świecenia materiały organiczne. Diody zbudowane z materiałów organicznych, w odróżnieniu od diod zbudowanych z materiałów nieorganicznych (LED), określane są skrótem OLED (organic light emitting diode). Świecenie elektroluminescencyjne materiałów organicznych odbywa się nieco na innej zasadzie niż nieorganicznych oraz inna jest ich budowa, technologia wykonania i właściwości.
Odmienne cechy diod OLED względem innych źródeł światła powodują, że diody te doskonale odwzorowują barwy składowe światła białego, mogą być budowane jako cienkie, giętkie elementy świecące i są tanie w produkcji. Świecące diody elektroluminescencyjne OLED mogą mieć postać dużych powierzchni świecących o przekątnych do jednego metra, a to w wyniku zupełnie nowych technologii wytwarzania, takich jak drukowanie odpowiednich elementów świecących na elastycznych podłożach.
Postęp technologiczny w rozwoju diod OLED
Mimo że okres intensywnego rozwoju technologii diod OLED nie przekracza 10 lat, są one już wytwarzane przemysłowo przez wiele firm elektronicznych. Diody OLED, emitujące światło białe, mają wydajność w zakresie od 20 do 60 lm/W, co jest porównywalne z wydajnością uzyskiwaną przez klasyczne diody LED oraz współczesne świetlówki. Maksymalna laboratoryjna wydajność świetlna uzyskana przez diodę OLED, emitującą światło zielone, wynosi 110 lm/W przy jaskrawości 1000 cd/m2. (Novaled, Phillips).
Okres rozwoju technologicznego diod OLED jest jeszcze niezbyt długi, a parametry świetlne tych źródeł światła już osiągnęły doskonałe rezultaty i ciągle doskonalone. W ciągu najbliższych kilku lat planowane jest uzyskanie wydajności świetlnej diod OLED wynoszącej ok. 150 lm/W i jest to zadanie możliwe do zrealizowania. Realnym problemem do rozwiązania pozostaje także uzyskanie dłuższego czasu pracy diod OLED. Obecnie średni czas pracy diod OLED w różnego typu urządzeniach (wyświetlacze, ekrany telewizyjne, źródła światła itp.) wynosi ok. 10000 godzin.
Diody OLED mają jeszcze dodatkowe zalety. Jako źródła światła są cienkie i mogą emitować światło w postaci kolorowych obrazów lub tapet umieszczonych na ścianach pomieszczeń mieszkalnych lub użytkowych. Dodatkowo, generowane przez takie źródła światła obrazy mogą być łatwo zmieniane. Modyfikowany może być także udział składowych widma światła białego w emitowanym promieniowaniu i w wyniku tego pomieszczenia oświetlane są światłem białym lub barwnym z tego samego źródła.
Powyższe możliwości wykorzystania i rozwoju diod zarówno LED, jak i OLED spowodują, że w najbliższych dziesięcioleciach dokonana zostanie istotna rewolucja w technice oświetleniowej.
Oczekiwana do 2020 r. co najmniej dwukrotna poprawa wydajności elektroluminescencyjnych źródeł światła spowoduje zmniejszenie realnego zapotrzebowania na energię elektryczna o co najmniej 10%, co będzie znaczącą oszczędnością zasobów i środowiska.
prof. dr hab. Jan Godlewski
Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej,
Politechnika Gdańska
Śródtytuły od redakcji
