Энергосберегающие устройства незаменимы в наш век, век прогрессивных технологий и повышенного энергопотребления. Повышенный спрос на светодиодные устройства способствует уменьшению цены, и они становятся доступными для простого обывателя.

Учитывая постоянное понижение цены, замена обычных лампочек на светодиодные сегодня стала выгодной. Раньше их использовали только для подсветки, а сегодня более 50 процентов рынка светодиодов приходится на освещение. Кроме этого, ученые не стоят на месте и постоянно развивают новые решения. Сегодня важными аспектами в разработках являются интеллектуальность, мощность и минимальное энергопотребление решений.

Светодиодные лампы LED SlimStyle

Их производством занимаются такие известные компании, как NliteN и Philips. Это тонкие и легкие лампы. Основным достоинством является то, что лампа имеет теплоотвод. На нем располагаются 26 светодиодов. Срок эксплуатации LED SlimStyle – 3 года, а заявленная стоимость – всего около 10 долларов. По мнению производителей, такую лампу можно использовать при освещении квартиры или дома.

LED-лампы с настройкой цвета

Компания Philips представила на рынке LED-лампы, которые способны излучать любой цвет в радиусе своего действия. Комплект состоит из ламп (3 штуки) и концентратора. Кроме этого, устройство интеллектуально. Пользователь может управлять им с мобильного телефона, где можно запрограммировать график работы освещения, установить режимы и цвета излучения.

Светодиоды-GaN на кремниевых подложках

Инновационная разработка – технология GaN. Особенностью этого решения является использование кремниевых подложек, которые пришли на смену сапфировым. Первые не прижились в устройстве из-за высокой цены, кремниевые подложки значительно дешевле (на 30%). Устройства, произведенные по технологии GaN, имеют высокую яркость свечения и минимальное потребление электроэнергии. Сегодня разработкой GaN занимаются ARC Energy, Toshiba и другие компании.

GaN-светодиоды на GaN-подложках

Еще одним направлением технологии GaN является разработка GaN-светодиодов. Она выгодно отличается от своей предшественницы качеством цветопередачи и интенсивностью излучения. Данной разработкой занимается компания Soraa. Специалисты считают, что использование идентичной подложки (не кремниевой или сапфировой) значительно упрощает процесс производства и снижает стоимость продукции.

Светильники Human Centric Lighting (HCL)

Особым направлением является адаптация освещения к особенностям человеческого организма. Сегодня уже есть светильники, в которых интенсивность светового потока зависит от биоритмов человека. Производители считают, что такие лампы способны повысить настроение, нормализовать сон и увеличить работоспособность.

Согласно модели развития аналитической компании McKinsey, к 2020 году оборот мирового рынка освещения составит почти 110 млрд евро, с ежегодным ростом 6% в период с 2010 по 2016 и 3% с 2016 по 2020 гг. Основой рынка является общее освещение, оборот которого в 2011 году составил примерно 60 млрд евро, а это почти 75% доходов всего рынка освещения.

Ожидается, что к 2020 году он вырастет до 80 млрд евро и составит 80% всех доходов (см. рисунок 1).

Прогресс рынка общего освещения обусловлен двумя основными факторами. Первый - стремительный рост инвестиций в строительство в развивающихся странах. Второй - все большее внедрение дорогих технологий в освещение, включая светодиоды, что естественным образом повышает среднюю стоимость готовых осветительных приборов. Постоянно растет и рынок автомобильного освещения. В 2011 году его оборот оценивался примерно в 14 млрд евро, что составляет 20% рынка освещения.

По оценкам экспертов, к 2020 году этот сектор осилит оборот в 18 млрд евро. 90% оборота сектора автомобильного освещения составляют внешние световые приборы, из которых 70% приходится на головной свет. По темпам роста, автомобильный сектор рынка не уступает сектору общего освещения, и двигатели, вращающие колеса прогресса автомобильного освещения, вполне схожи: мощный рост автомобилестроения в развивающихся странах, а также проникновение светодиодных технологий. Еще одной тенденцией в этом секторе стало смещение акцента на инсталляцию нового освещения. В свою очередь, новые, более долговечные и энергоэффективные источники света приведут к спаду на рынке запчастей для обычных автомобильных осветительных приборов.

Оборот рыночного сектора подсветки, оценивался в 2011 году на уровне 4 млрд евро, что составляет около 6% от общего рынка освещения. Несмотря на столь скромную долю в общей копилке, сектор подсветки играет огромное значение, поскольку широкое внедрение светодиодных технологий будет оказывать существенное влияние на стоимость светодиодной продукции в других секторах, например, в общем освещении.

В настоящее время основной подсветкой экранов небольших и средних размеров, применяемых в мобильных телефонах, ноутбуках, компактных мониторах и ЖК-телевизорах являются светодиоды. Также они понемногу захватывают и широкоэкранные ЖК-телевизоры - традиционную вотчину флуоресцентных ламп с холодным катодом.

OLED-технологии уже применяются на рынке мобильных телефонов и смартфонов. Их успех обеспечило более высокое разрешение, чем у ЖК-дисплеев. А благодаря щедрым инвестициям ряда корейских компаний, они могут потеснить с широкоэкранных ЖК-телевизоров даже светодиоды.

До 2016 года оборот рынка подсветки останется стабильным и составит все те же 4 млрд евро. Его доля может даже уменьшиться из-за увеличения габаритной яркости светодиодов, а также внедрение OLED-технологий.

Что касается других сфер применения светодиодных технологий, таких как сигнализация и медицинское освещение, их доля на рынке общего освещения ничтожно мала и каких-либо коренных изменений в ближайшее время наблюдать не придется.

Мировой рынок освещения. Рост населения земли и увеличение доходов

К 2020 году, по оценкам экспертов, население планеты будет равно 7,7 миллиардам. Это фундаментальный стимул роста потребности в освещении, как жилых помещений так и в других секторах рынка. Основной прирост населения - примерно 78 % - приходится на страны азиатско-тихоокеанского региона и в период с 2011 по 2020 составит 800 миллионов человек. Таким образом, расстановка сил на рынке освещения будет определяться еще и географическим фактором, и именно азиатские рынки будут определять потребности на рынке освещения.

Мировой рынок освещения. Урбанизация

Ежегодный рост мировой экономики в период с 2011 по 2020 составит 3– 4 %. Основу этого роста составит городская экономическая деятельность, которая окажет сильное влияние на запросы рынка, особенно в секторе общего освещения. Исследования специалистов показывают, что к 2025 году 60 процентов роста ВВП обеспечат 600 городов мира, в которых будут проживать 50% населения земли (см. рис. 2).

Наиболее интенсивный рост городского населения будет идти в развивающихся регионах планеты. В 2007 году на долю 380 городов развивающегося региона из 600 (по объему ВВП) приходилось 50% мирового ВВП. К 2025 году к этому списку прибавятся 136 новых городов из развивающихся регионов, в основном китайские (100 новых городов). В их числе Харбин, Гуаньчжоу, Шанту. Впрочем, такие тенденции наблюдаются и в других регионах планеты. Индия добавила в этот список 13 новых городов, среди которых Хайдарабад и Сурат. Латинская Америка внесла свой вклад 8 городами, такими как Канкун и Баранкиллья. Стремительный рост в городах развивающихся регионах обязан, прежде всего, росту ВВП на душу населения, нежели самому росту населения (см. рис. 3).

Расширение автомобильного сектора освещения стало следствием роста мировой экономики, оказавшее безусловное влияние на автомобильный рынок в целом. С 2009 года китайский авторынок стал самым большим в мире, а рост оборота автомобильных рынков развивающихся стран превышает аналогичный в развитых европейских странах и Северной Америке (примерно 6% ежегодного роста в развивающихся странах против 2% роста в развитых за период с 2011 по 2020 гг.). Тем не менее, тенденция на автомобильном рынке проявляется в стремлении к уменьшению стоимости продукции, что дает автомобильному сектору освещения не столь яркие показатели.

Мировой рынок освещения. Энергосбережение и всемирная борьба с CO2

На сегодняшний день, истощение природных ресурсов и изменение климата являются двумя самыми крупными мировыми проблемами. И хотя последний вопрос является несколько спорным, истощение энергетических ресурсов вполне очевидно и не требует дополнительных доказательств. При анализе деятельности по борьбе с парниковым эффектом было выявлено, что замена источников света на более энергоэффективные не только приносит ощутимую прибыль, но и снижает выбросы углекислого газа в атмосферу. Впрочем, это единственный прибыльный вид борьбы с парниковым эффектом, другие оказывают негативное влияние на экономику (см. рис. 4).

Экономическая прибыль от замены ламп накаливания на светодиодные с ежегодным уменьшением выбросов углекислого газа к 2015 году составит 140 евро за тонну. Подобное уменьшение выбросов с помощью использования солнечной энергии принесет всего 80 евро за тонну углекислого газа (см. рис. 5).

При этом замена традиционных источников света на светодиодные обойдется вдвое дешевле установки солнечных батарей. Таким образом, светодиодные технологии являются более перспективными в плане дальнейших государственных инвестиций.

Мировой рынок освещения. Разнообразие

Из всей электронной промышленности светотехническая наиболее раздробленная и многогранная, так как освещение используется в разных сферах деятельности. Но основных направлений всего четыре, которые, пересекаясь, образуют огромное количество вариаций (см. рис. 6).

Первое, и наиболее сложное направление - приложения. Как уже говорилось выше, существуют три основных сектора рынка - общее освещение, автомобильное и подсветка. Кроме того, есть и другие - индикация промышленных приборов, светофоры, сигналы и т.д. Но даже в самих секторах существует разделение по областям применения. Например, общее освещение делится на освещение промышленных объектов, жилых помещений, магазинов.

Второе направление - технология источников света. Данная область представлена семью основными технологиями: лампы накаливания, галогенные, LFL (линейные люминесцентные лампы), CFL (компактные люминесцентные лампы), газоразрядные лампы высокого и низкого давления, светодиодные и OLED-светильники. Из сопутствующих технологий стоит отметить также и металлогалогенные, флуоресцентные с холодным катодом и натриевые лампы низкого давления.

Третьим направлением являются особенности географического положения, особенно для общего освещения. Правила эксплуатации и требования к напряжению во всех регионах планеты разные. То же самое касается и цветовых пристрастий. Европейские потребители, например, отдают предпочтение теплым оттенкам, что стимулирует сектор галогенных источников света. Азиатский рынок отдает меньшее предпочтение теплым цветам и поэтому преимущество здесь у флуоресцентных ламп.

Четвертым направлением является структура рынка общего освещения. В осветительной промышленности задействованы специалисты самых различных профессий, - от строителей до разработчиков концепций освещения и даже представителей государственных структур. Это делает рынок освещения чрезвычайно мобильным, изменчивым и неоднозначным. И на фоне всего этого многообразия идет стремительное наступление светодиодов, в корне отличающихся от традиционных источников света и меняющих осветительную промышленность, ее масштабы и роль отдельных секторов.

Мировой рынок освещения. Светодиодная революция

В течение долгого времени осветительная промышленность считалась консервативной и достаточно стабильной в сравнении с другими - электронной, автомобильной. Десятки тысяч лет люди использовали в качестве света огонь. Так продолжалось вплоть до XIX века, пока не была изобретена лампочка. В следующий раз знаменательное событие в освещении произошло в 20-х годах прошлого века с изобретением флуоресцентной лампы, более долговечной и эффективной. Светодиоды, основу которых составляют полупроводниковые материалы, способные излучать свет, появились в начале 60-х годов. Вся цветовая гамма, вкупе с низким потреблением энергии и все уменьшающейся стоимостью позволили с полной уверенностью называть их четвертым поколением освещения, которое может полностью перевернуть рынок.

Мировой рынок освещения. Тенденция к сокращению расходов на освещение

Теоретически, светодиодное освещение может стать самым дешевым из всех видов освещения, используемых сегодня. Согласно дорожной карте производства светотехнической продукции, разработанной Министерством энергетики США (DOE), стоимость готового светодиодного светильника и его комплектующих будет ежегодно сокращаться на 30% в период с 2011 по 2016 и на 10–15 % с 2016 по 2020 годы. Экстраполируя данные выводы, можно сказать, что к 2016 году светотехническая продукция будет стоить в пять, а в 2020 в десять раз дешевле, чем в 2011 году (см. рис. 7).

С каждым годом прогнозы снижения стоимости становятся все смелее. Так, прогноз стоимости 2009 года Министерства энергетики США для среднестатистического светодиодного светильника составил 4 долл. за килолюмен, 3 доллара в 2010 и упал до 2 долл. за клм в 2011. Ключевых стимулов для снижения стоимости всего два. Первый - увеличение яркости излучаемого света (измеряется в люменах) по отношению к потребляемой энергии (измеряемой в ваттах), то есть, светоотдача. Второй - уменьшение производственной стоимости единицы светодиодной продукции.

Мировой рынок освещения. Стремительный рост автомобильного сектора светодиодного освещения

В 2010 году доля автомобильного сектора светодиодного освещения составляла 12%, большая часть которых приходилась на подсветку стоп-сигналов, индикации и других приложений красного цвета. В 2011 году, с принятием ряда законов в европейских странах и США, светодиоды стали активно применяться в дневных ходовых огнях, которые стали неотъемлемым атрибутом дизайна в таких автомобилях как Ауди и БМВ. Светодиоды также штурмуют и головной свет, но ксеноновые и галогенные лампы пока прочно держат позиции благодаря гораздо более низкой стоимости.

Мировой рынок освещения. Главная цель - общее освещение

Светодиоды уже широко осваивают сектор общего освещения - главное направление всего рынка. В 2010 году доля светодиодов здесь была сравнительно мала - всего 7%. Главная причина - высокая стоимость. Но при этом RGB-светодиоды уже успешно используются в архитектурном освещении, так как имеют очевидные преимущества перед конкурентами. Белые светодиоды также продолжают наращивать свое присутствие в данном секторе освещения. В результате тенденций к существенному удешевлению и энергосбережению, доля светодиодов в секторе общего освещения к 2016 году составит 43%, а к 2020 - 65%.

Внедрение светодиодных технологий, в конце концов, кардинальным образом изменит всю структуру осветительной промышленности. Оно коснется всей производственной цепочки - от разработки новых перспективных технологий, до сбыта готовой продукции.

С захватом рынка общего освещения светодиодными технологиями в добывающей промышленности грядут серьезные перемены. Методика изготовления светодиодных источников света кардинально отличается от производства всех остальных - ламп накаливания, флуоресцентных, газоразрядных и других.

Это приведет к развитию новых видов промышленных производств, а также перевороту в традиционной структуре существующей промышленности. В прошлом, ограниченный возможностями красных и слабо-ярких зеленых светодиодов, рынок освещения занимал скромную нишу. За последние 15 лет, после изобретения в 1995 году голубых светодиодов, расстановка сил кардинально поменялась. С 1995 по 2005 годы, после интенсивной информационной войны все производство сверхъярких белых светодиодов сосредоточилось в руках горстки компаний, защитившихся соответствующими патентами.

С 2005 по 2010 главной сферой применения светодиодов была подсветка мобильных телефонов и ноутбуков. Часть корейских и китайских компаний, получив лицензию большой пятерки, отбили себе кусок рынка благодаря возможности производить более дешевую светодиодную продукцию. В 2010 году, с увеличением габаритной яркости светодиодов, на рынке появились первые большие ЖК-телевизоры со светодиодной подсветкой. Самые крупные производители ЖК-панелей принялись щедро инвестировать в светодиодную индустрию, предвкушая высокий спрос на свою продукцию. Они быстро скупили установки для МОС-гидридной эпитаксии и в сжатые сроки завоевали большую часть производственного рынка светодиодов.

Большая часть компаний производителей, занятая в сфере освещения, стремится занять нишу на рынке общего освещения, поскольку ожидается, что светодиодный бизнес в ближайшее время обретет вес и солидность. Еще большее значение эта тенденция приобрела после стагнации производства светодиодной подсветки в ЖК-телевизорах, а производственные мощности по изготовлению чипов подложек и комплектующих перенастроились на сектор рынка общего освещения. И сейчас участники этого сектора рынка в выигрыше, поскольку для производства мощных светодиодов требуется большее количество сложных технологий и специальных приложений, чем для подсветки. Впрочем, развитие технологий монтажа кристаллов на подложку (multichip-on-board) дает возможность создать стартапы многим производителям полупроводниковой продукции.

Мировой рынок освещения. Следующим стандартом станут светодиодные источники света

Несколько десятилетий значительную долю рынка традиционных источников света - 60-70% - удерживали три крупных игрока. Производство традиционных ламп уже давно стало стандартным. Это значит, что большинство компаний делает взаимозаменяемые лампы стандартных размеров и яркости. Традиционный источник света уже давно стал товаром народного потребления, и его производство стремится к монополизму, что характерно для всех товаров народного потребления, будь то машины или стекло.

Светодиодное освещение нарушает эти традиции по всем фронтам, заставляя по-новому взглянуть на существующие стандарты. Светодиодное освещение еще развивается как новый источник в общем освещении, но уже сейчас понятно, что производство светодиодных источников света в корне отличается от традиционного. Функциональность светодиодного модуля (источника света) такая же, как и у традиционных ламп в обычном освещении. Несмотря на это, стандарты для светодиодных модулей все еще не разработаны, и рынок светодиодного освещения по умолчанию пользуется обычными стандартами. Отсутствие стандартов для светодиодного освещения объясняется его качествами, такими как долговечность, компактность и направленностью светового потока. Как источник света светодиод гораздо долговечнее ламп и полностью исключает необходимость замены, что ведет к интеграции источника света и осветительного устройства в единое целое. Дизайн в обычных источниках света, как правило, касался только самого устройства, не затрагивая при этом лампы. С появлением светодиодов дизайн может быть гораздо более гибким и разнообразным. Обсуждение проблемы стандартизации общего светодиодного освещения неоднократно поднималось рядом профильных организаций, таких как Zhaga Consortium. Нехватка стандартов вредит развитию промышленности. Она мешает производителям, дизайнерам и разработчикам светотехники скоординировать и объединить усилия в производстве готовой энергоэффективной и качественной продукции. Например, одной из целей Zhaga Consortium является определение интерфейса светового прибора (и отдельно для модуля) по четырем физическим показателям: механическому, температурному, электрическому и фотометрическому. Сегодня все 140 членов консорциума активно обсуждают эту тему.

Степень стандартизации может меняться в зависимости от тех областей, где будут применяться светодиоды. С одной стороны, это стандартные светотехнические приборы, которые потребители смогут заменить сами. С другой - это разработка уникальных светотехнических решений по индивидуальному заказу. И в том, и в другом случае всей цепочке производства необходимо работать синхронно.

Компании, которые являются конечными в цепочке производителей светотехнической продукции, ищут новые перспективные возможности вне сфер своей деятельности.

С появлением светодиодных технологий и общей тенденции к энергоэффективности многие компании светотехнического рынка в поисках перспективных возможностей развития бизнеса стали активно включаться в производственную цепочку. На сегодняшний день рынок готовых светотехнических изделий чрезвычайно раздроблен, пока объединение рынка в единое целое маловероятно.

Одной из наиболее перспективных возможностей для компаний, которые являются конечными в цепочке производителей светотехнической продукции, является разработка светотехнических решений. В будущем этому сектору рынка предрекают небывалый рост.

Что касается сектора рынка компонентов управления системами освещения, сегодня его оборот, по самым грубым оценкам составляет 2 млрд евро. Ожидают, что к 2016 году он вырастет до 4 млрд евро, а в 2020 будет равен 7 млрд.

Традиционно сфера бизнеса светотехнических решений принадлежала компаниям, занимающимся разработкой систем управления освещением. Сегодня, увидев для себя неиспользованные возможности, в эту сферу начинают проникать и другие компании, занимающиеся освещением, особенно изготовители осветительных приборов. Также к ней проявляют интерес и строительные компании, считая эту сферу частью общего проектного решения.

Ряд систем управления, такие как система динамического контроля цвета RGB, уже используются в архитектурном освещении. Системы управления цветовой температурой являются относительно новыми и займут определенную нишу на рынке, но пока их использование ограничено студийным и домашним освещением. Системы диммирования раньше использовались в домашнем освещении, но сейчас в целях экономии энергии начинают использоваться и в других видах общего освещения. Еще одной тенденцией является применение систем освещения для контроля биоритмов человека, животных и растений. За счет хорошей управляемости по сравнению с традиционными источниками света светодиодное освещение имеет ряд очевидных преимуществ во всех вышеперечисленных сферах применения.

Мировой рынок освещения. Системы управления цветом RGB

Так как светодиоды расширяют возмож¬ности управления цветом RGB, например, обеспечивают динамический контроль цвета с минимальным временем отклика, создаются новые сферы их применения. В качестве примера можно привести использование в освещении концертных площадок, телестудий, развлекательных комплексов и гостиниц. Кроме того, эти системы контроля используют и в уличных экранах.

Системы диммирования используются в основном в отелях высокого класса, помещениях для деловых встреч и переговоров, для создания в них определенной атмосферы. Эти системы, совмещенные с автоматическими системами переключения (иногда с датчиками, реагирующими на присутствие человека), сегодня также используются для повышения энергоэффективности. Какими бы экономичными ни были флуоресцентные лампы, переход на управляемое светодиодное освещение поможет сберечь еще больше энергии. Как правило, почти 30% энергии тратится зря, освещая пустые помещения. И здесь применение систем диммирования получилось бы очень актуальным. Еще один пример - автозаправочные станции. Как правило, они очень ярко освещены, независимо от того, заправляется кто-то или нет. Системы диммирования могут автоматически контролировать яркость в зависимости от присутствия или отсутствия клиентов.

Подсветка используется на предприятиях по выращиванию растений, парниках или садах для стимуляции их роста. Дефицит продуктов питания, а также риск загрязнения и заражения грунтовых овощей и фруктов значительно повысил спрос на предприятия, искусственно выращивающие растительную пищу.

Освещение животноводческих ферм и птицефабрик способствует сохранению жизни и здоровья животных. С человеком сложнее. Свет запускает множество различных механизмов, управляющих здоровьем и настроением человека, его мотивацией и способностью решать определенные задачи. Новые системы освещения сыграют значительную роль в северных странах, где зимние ночи длятся сутками.

Мировой рынок освещения. Рынок освещения взял курс на энергосбережение

В настоящее время самыми продаваемыми на рынке освещения являются лампы накаливания. Их доля на рынке общего освещения (по количеству единиц) составляет 52% (12% денежного оборота). За ними следуют флуоресцентные лампы, самые большие по денежному обороту, с 50-% долей по количеству единиц.

Существуют два вида флуоресцентных ламп: линейные, преимущественно использующиеся в офисных помещениях, и компактные, которыми можно заменить лампы накаливания. Доля линейных люминесцентных ламп по количеству продаваемых единиц составляет 16% (19% по денежному обороту), в то время как доля компактных - 17% (31% по денежному обороту). Благодаря запрету ламп накаливания во многих странах мира и широкой государственной поддержке, объемы продаж компактных люминесцентных ламп за последние несколько лет существенно выросли. Доля других – галогенных и газоразрядных ламп - по количеству проданных единиц составляет 12 и 2 процента соответственно, 10 и 14% соответственно по обороту денежных средств.

Хотя лампы накаливания лидируют по количеству продаваемых единиц, они являются самыми малоэффективными. Их светоотдача колеблется от 10 до 19 лм/вт. Светодиодные источники света гораздо эффективнее: 60 - 120 лм/Вт. Энергоэффективность других, не светодиодных источников света, например, компактных люминесцентных ламп равна 40–70 лм/Вт., линейных (типа Т-8) от 35 до 87 лм/Вт.

Энергоэффективность газоразрядных ламп достигает 115 лм/Вт. И это еще не предел. Понимая необходимость энергосбережения в условиях жесткой конкуренции, разработчики всех источников света совершенствуют характеристики своей продукции. Будущее технологическое разделение будет смещаться в сторону отличных от светодиодов экологически чистых энергоэффективных технологий до тех пор, пока цены на светотехническую продукцию не станут боле менее приемлемыми, а это ожидается лишь к 2016 году. В то время как доля ламп накаливания на рынке общего освещения будет неуклонно снижаться - до 9% по количеству про¬даваемых единиц, доля всех энергоэффективных источников света вырастет. Доля КЛЛ, например, вырастет с 17 до 25%, галогенных - до 22%.

Мировой рынок освещения. Будущее рынка общего освещения

Общее освещение состоит из семи различных приложений. Первые шесть - домашнее, офисное, гостиничное, промышленное, магазинное и уличное определяются типом расположения и особенностями зданий, в которых они применяются. Седьмое - архитектурное - в контрасте с первыми шестью в большей степени функциональное, созданное для декоративных целей и формирования настроения. Доля рынка и траектория развития у всех семи приложений разные. Их определяют особенности применения того или иного приложения, а также особенности эксплуатации осветительных приборов.

С тех пор как количество жилых домов стало составлять 70% от числа всех построенных зданий, домашнее освещение выбилось в абсолютные лидеры. Его доля рынка составляет 40%, при этом средняя стоимость домашних светильников достаточно низкая. За ним следуют офисное и уличное освещение с 10% долями каждое. Освещение магазинов и гостиниц хотя и уступает вышеперечисленным приложениям, особенности применения осветительных приборов, а также частая смена увеличивает их оборот на рынке общего освещения.

Доля рынка светодиодного освещения для каждого из приложений складывается исходя из многих факторов. Это различные требования, барьеры, региональные, национальные и ряд других. Все это, в конечном счете, определяет долю каждого приложения на рынке светодиодного освещения и размер рынка. Рассмотрим прогнозы для каждого приложения в отдельности.

Мировой рынок освещения. Архитектурное освещение

В сфере архитектурного освещения светодиоды прижились раньше всех. Уже в 2011 году их доля в этом сегменте рынка освещения составляла 40%. Через пять лет, в 2016 году, по прогнозам экспертов, она достигнет 74%, а к 2020 году - 86%. Одним из самых больших преимуществ светодиодов является возможность управления цветом. В традиционном освещении для этого использовались цветные пленочные фильтры, очень дорогие в плане технического обслуживания.

Кроме того, в обычном освещении ограничены скорость цветового контроля и гибкость использования. Преодолев эти трудности, светодиодные технологии в архитектурном освещении пошли дальше, создав новые виды приложений - медиафасады. Их особенностью является сочетание дизайна самого здания с ярким интерактивным освещением. Это означает принципиально новый подход к взаимодействию зданий и сооружений с окружающей средой. Медиафасад придает зданию необычайно красивый облик, а также несет в себе мощную информативную нагрузку.

Мировой рынок освещения. ЖКХ освещение

В настоящее время в ЖКХ-освещении все регионы планеты используют разные источники света. В количественном отношении, конечно, преобладают лампы накаливания, в то время как количество галогенных и флуоресцентных ламп варьируется в зависимости от страны. Европейцы, предпочитающие более теплый свет, больше тяготеют к галогенным лампам. Азиатам это не принципиально, и там преобладают флуоресцентные.

Основная тенденция в ЖКХ-освещении сегодня - увеличение доли флуоресцентных ламп. Это связано с инфляцией и повышением прожиточного минимума. Однако цветопередача у них гораздо хуже, и это является серьезным препятствием для проникновения в те сферы, где это необходимо. Особенно это касается европейских потребителей. В сферу ЖКХ светодиодные технологии приникают гораздо медленнее, чем в архитектурное освещение. Доля светодиодов на рынке ЖКХ освещения составляет 6%, и такое положение вещей сохранится вплоть до 2016 года. Секрет в том, что рынок ЖКХ-освещения очень чувствителен к ценам на источники света, а пока светодиодные источники гораздо дороже остальных, их доля в данном сегменте рынка освещения останется неизменной. Тем не менее, светодиодное освещение по мере снижения стоимости все активнее участвует в процессе модернизации и инсталляции новых осветительных систем.

Мировой рынок освещения. Офисное освещение

В офисном освещении львиную долю занимают флуоресцентные лампы, за исключением офисов, расположенных в суперсовременных бизнес-центрах и небоскребах, тяготеющих к более теплому свету и светильникам с оригинальным дизайном. Доля других технологий варьируется в зависимости от той или иной страны. Из-за привлекательной цены флуоресцентные лампы будут господствовать в этом сегменте рынка еще довольно долго, вплоть до 2016 года. Серьезной проблемой для светодиодных технологий в этом сегменте также стал «принципал-агент конфликт» (за исключением тех зданий, в которых изначально предполагалась инсталляция светодиодных светильников), когда проектировщикам невыгодно энергосбережение. Доля светодиодов в этом секторе небольшая, всего 2 процента. К 2016 году, как ожидается, она вырастет до 30%, а в 2020 станет равна 52%.

Мировой рынок освещения. Освещение магазинов и супермаркетов

В этом сегменте множество разнообразных сфер применения, начиная с супермаркетов, в которых преимущественно используются линейные компактные флуоресцентные лампы (LFL и CFL) и заканчивая модными бутиками, в дизайне освещения которых применяются и лампы накаливания, и галогенные источники света. Пользователи ламп накаливания и галогенных ламп предъявляют высокие требования к качеству светового потока с высоким индексом цветопередачи (CRI), цветовой насыщенности и к управлению освещением. Светодиоды пока еще не дотягивают до этих запросов. Однако с каждым годом их качество улучшается. Так, их индекс цветопередачи равен 90. Как только стоимость светодиодов станет значительно меньше, то в сочетании с другими преимуществами, такими как низкое энергопотребление, меньший нагрев и большая гибкость для дизайнерских решений, они с легкостью потеснят галогенные лампы и лампы накаливания. Из-за той же пресловутой стоимости светодиоды все еще проигрывают и флуоресцентным лампам, хотя по многим характеристикам они лучше последних. Впрочем, ряд крупных торговых розничных сетей, таких как Starbucks и Walmart, широко используют светодиодные технологии из-за низких затрат на их техническое обслуживание. В настоящий момент доля светодиодных технологий в сегменте рынка освещения магазинов и супермаркетов составляет 2%, однако, по прогнозам аналитиков, к 2016 году она вырастет до 50 процентов, а к 2020 станет равна 78%.

Мировой рынок освещения. Гостиничное освещение

Сегмент гостиничного освещения достаточно сложен, от отелей среднего и высшего класса, использующих лампы накаливания и галогенные, до дешевых, довольствующихся светом флуоресцентных ламп. Доля светодиодов в этом сегменте рынка составляет 10 процентов. По прогнозам специалистов, к 2016 она вырастет до 50 процентов, в 2020 составит 80 процентов. Подобно освещению респектабельных магазинов, освещение отелей премиум класса также требовательно к качеству света, до которого светодиоды еще пока не дотягивают. Впрочем, здесь у них одно важное преимущество: возможность управления светом (димминг, например). Это делает их привлекательными для таких сетей гостиничных комплексов, где требуется круглосуточное освещение. Вкупе с постоянно улучшающимся качеством светодиодного света, эти преимущества могут значительно расширить долю светодиодных технологий в этом сегменте рынка.

Мировой рынок освещения. Промышленное освещение

Сегодня в промышленном освещении используют две основных технологии: газоразрядные и линейные люминесцентные лампы (LFL). Доля светодиодов в этом сегменте рынка менее 1%. Их главный козырь - общая стоимость собственности (TCO). Светодиоды могут значительно снизить затраты на техническое обслуживание, особенно в труднодоступных местах и в помещениях с высокими потолками, там, где замена вышедших из строя светильников стоит гораздо дороже. Но и здесь светодиодам приходится конкурировать с флуоресцентными и газоразрядными лампами, такими же надежными и энергоэффективными, но более дешевыми. По оценкам специалистов, к 2016 году их доля не будет превышать 20%. К 2020 светодиоды смогут выйти на уровень 40%.

Мировой рынок освещения. Уличное освещение

Большую часть сегмента уличного освещения также занимают газоразрядные (ртутные, металлогалогенные, натриевые высокого и низкого давления) и люминесцентные лампы. Натриевые лампы выгодно отличаются ценой и долговечностью, однако проигрывают по качеству цветопередачи. Впрочем, на их позиции в ближайшей перспективе это не повлияет, несмотря на усиление позиций светодиодных источников света. Как и в индустриальном освещении, основным катализатором увеличения доли светодиодных технологий стала общая стоимость собственности (ТСО). Уличное освещение монтируется на значительных высотах, и выгода от использования светодиодных светильников гораздо больше, чем в промышленном секторе. В настоящее время доля светодиодов в сегменте уличного освещения составляет около 5%. К 2016 году она увеличится до 40%, в 2020 году достигнет 70%. Причиной столь оптимистичных прогнозов являются правительственные инициативы по уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу. А уличное освещение практически целиком принадлежит государству, которое и будет принимать решение на внедрение тех или иных экологически чистых технологий. У светодиодов здесь явное преимущество.

Мировой рынок освещения. Азия лидирует на рынке общего светодиодного освещения

Азия является самым большим рынком общего освещения. Ее доля - 35% мирового рынка освещения. Это объясняется стремительным развитием экономики Азиатско-Тихо-океанского региона, прежде всего, Китая. К 2020 году доля азиатского рынка, как ожидается, составит почти половину (45%) от мирового. Европа и Северная Америка сохранят свои позиции на уровне 20 и 25% соответственно. Доля остальных стран будет
ничтожна.

Главная причина такого распределения - объемы инвестиций в капитальное строительство. В азиатских странах доля инвестиций составляет 35%, в Европе - 27%, США и Канаде - 17%. Кроме того, темпы роста азиатского рынка выше, чем в остальных регионах, особенно благодаря Китаю и странам, не входящим в ШОС. По оценкам специалистов, их рост в период с 2010 по 2016 составит 13 и 12% соответственно. Для сравнения, рост рынка освещения в Западной Европе за аналогичный период составит меньше 2%.

Доля светодиодных технологий различается в зависимости от страны и зависит от таких факторов как государственное регулирование, экономическое развитие и предпочтение источников света. Сильнее всех на развитие технологий влияет государственное регулирование. Серьезный акцент на проблемы изменения планетарного климата заставляет государство активно заниматься этим вопросом. В результате чего, лампы накаливания, в течение века господствовавшие на рынке освещения, были сняты с производства и запрещены во многих странах.

Исследования показывают, что внедрение светодиодных технологий в разных странах и уголках планеты может отличаться, однако пока их долевое увеличение в США, Европе и Азии однородно и примерно равно 7%. В ближайшее время азиатский рынок освещения будет отставать от европейского и американского по темпам увеличения доли светодиодных технологий. Это вызвано особенностями экономического развития азиатского региона. Однако это не помешает ему оставаться самым большим рынком освещения с долей 35% от мирового. И, по прогнозам аналитиков, его позиции будут лишь укрепляться. К 2020 году азиатский рынок светодиодного освещения достигнет оборота в 26 млрд евро. За ним будут следовать Европа и США с оборотом 14 и 10 млрд соответственно.

При более тщательном исследовании тенденции отличаются в зависимости от страны. В Северной Америке доля светодиодов на рынке освещения равна 7 % и составляет 1 млрд евро. Основную часть оборота дает рынок инсталляции световых приборов при поддержке ряда государственных инициатив вроде программы LEED (в переводе на русский означает «Руководство в энергетике и наиболее приемлемом, с точки зрения экологии, проектировании»). Несмотря на запрет ламп накаливания с 2012 года, доля светодиодных технологий в секторе рынка замены источников света будет расти медленно. В большинстве штатов США цены на электроэнергию и флуоресцентные лампы достаточно малы, что сильно нивелирует достоинства светодиодных ламп. Однако с уменьшением стоимости их доля неизбежно увеличится.

В Европе соотношение долей светодиодных технологий и общего освещения такое же, как в США и равно 7%, то есть 1 млрд евро. Основной сферой применения светодиодных технологий в Европе является архитектурное освещение. Здесь стало модным освещать фасады зданий разноцветным светом, где светодиоды имеют значительные преимущества. Запрет на лампы накаливания (который будет введен уже в 2012 году) - еще один ускоритель развития светодиодных технологий, в особенности белого цвета, который вкупе с растущими ценами на электроэнергию способен сильно увеличить их долю на общем рынке освещения.

Доля азиатского рынка, как уже говорилось ранее, самая большая в мире как на рынке общего освещения, так и в светодиодном секторе. Благодаря мощной государственной поддержке оборот рынка освещения равен европейскому и американскому. Львиная доля успеха принадлежит Китаю. Он лидирует в двух секторах: уличном и архитектурном освещении. Благодаря государственным инвестициям в уличное освещение доля светодиодных технологий в нем к 2015 году увеличится до 30%. Однако за счет ЖКХ-освещения общий оборот рынка светодиодных технологий в Китае несколько ниже европейского. Впрочем, благодаря большим объемам производства, к 2020 году доля Китая в обороте мирового рынка общего светодиодного освещения составит 20% или 11 млрд евро.

Светодиодные технологии в Японии первыми освоились в секторе модернизации освещения. Основных причин две. Во-первых, компактные люминесцентные лампы в Японии дороже, чем в Китае, в 6 раз. Светодиодные лампы получаются доступнее. Во-вторых, авария на АЭС Фукусима-1 привела к ужесточению требований к энергосбережению. Однако большая часть рынка все еще принадлежит флуоресцентным лампам, даже в секторе ЖКХ-освещения, что может стать дополнительным барьером для экспансии светодиодов на японский рынок освещения. В остальных странах мира (Ближнем Востоке, Латинской Америке, Африке) доля светодиодов на рынке освещения сравнительно мала, как, впрочем, и сам рынок. И, тем не менее, внедрение светодиодных технологий неизбежно произойдет и здесь, только оно будет идти крайне медленно.

Мировой рынок освещения. Структурные изменения: рынок инсталляции новых световых приборов обгонит рынок замены существующих световых приборов

Как уже говорилось выше, мировой рынок освещения смещается от ламп накаливания со сроком службы в 1000 ч к энергоэффективным и гораздо более долговечным (в десятки раз) источникам света - светодиодным и флуоресцентным лампам. Эта тенденция приведет к уменьшению доли рынка, производящего замену существующих источников света, и увеличению доли рынка производства новых систем освещения. И даже несмотря на то, что средний срок службы светодиода как источника света исчисляется десятками лет, рынок от этого не пострадает. Это объясняется тем, что в разных сегментах рынка освещения частота замены источников света отличается. В уличном освещении светильники работают десятками лет, а в каком-нибудь модном бутике в рекламных целях освещение меняется каждый месяц.

В результате эти изменений развитие сегмента рынка инсталляции освещения будет интенсивнее, чем в сегменте замены источников света, потому что встроенные светодиодные светильники имеют больше преимуществ перед заменяемыми светодиодными лампами, даже несмотря на высокую стоимость. Одним из таких преимуществ является возможность управления цветовой гаммой в архитектурном освещении, где замена ламп была бы проблематичной. Еще в качестве примера можно привести хай-бэй лампы, подводные и встроенные в пол. В этих случаях проще и дешевле заменить все целиком, чем менять по одной лампочке.

Пока доля светодиодов в сегменте рынка инсталляции световых приборов составляет всего 7%, но уже к 2020 году вырастет в 10 раз. Вместе с тем, такие изменения на рынке освещения неузнаваемо преобразят всю производственную цепочку. Конечно, пока не отработаны стандарты, нет унификации производственного процесса. Однако столь серьезные перемены скажутся на всех участниках рынка освещения, потребовав от них новых стратегических бизнес-решений.

В последнее десятилетие отмечается интенсивное развитие технологий освещения. Приобретают все более широкую популярность светодиодные приборы, которые обеспечивают качественное освещение объектов, отличаются длительным сроком эксплуатации и экономичностью в использовании. Высокая конкуренция заставляет производителей светодиодов снижать стоимость своей продукции и расширять ее функциональные возможности.

Тенденции XXI века в сфере освещения помещений

XXI век ознаменовался развитием новых технологий светодиодного освещения, которые по своей эффективности существенно опережают лампы накаливания и люминесцентное оборудование. Ученые разных стран проводят исследования материалов и методов производства светодиодов (СД), что позволяет активно совершенствовать продукцию. К преимуществам светодиодных осветительных приборов можно отнести нижеследующие характеристики.

Энергоэффективность и экономичность

Светодиоды значительно более экономичные источники света, чем аналоги. Так, светоотдача СД составляет 120–150 люмен/ватт, в то время как у люминесцентных ламп этот показатель всего 60–100, а у ламп накаливания и галогеновых - всего 10–24.

Использование светодиодов позволяет экономить финансовые средства на профилактических и ремонтных мероприятиях. Также отсутствует риск перегрузки электросетей при включении светильников, а потери на линиях питания сводятся к минимуму. Это объясняется тем, что ток, потребляемый СД-устройствами, равен 0,6–0,9 А (у газовых приборов - порядка 2,2 А).

Экологичность и безопасность

Данное оборудование является экологически чистым и не требует особых условий обслуживания и утилизации. Оно пожаро- и электробезопасно, может использоваться под водой и в помещениях с высокой влажностью. Также СД, в отличие от люминесцентных аналогов, не выделяют ртутных паров и не содержат фосфор. У них отсутствует отрицательный эффект низкочастотных пульсаций, вызывающих усталость глаз.

Стабильность и длительность работы

Средний срок работы светодиодов составляет порядка 50 000 часов, что в 10–100 раз больше, чем у ламп накаливания. Кроме того, световой поток и сила света СД не изменяются со временем (у традиционных ламп отмечается снижение светового потока на 40–60% уже в первые месяцы использования).

Эти осветительные приборы оснащаются корпусами из алюминиевых сплавов и поликарбонатными стеклами, благодаря чему отличаются прочностью, надежностью и виброустойчивостью. Они работают в широком диапазоне - 80–230 В, поэтому исправно функционируют в условиях перепадов напряжения. Так, если напряжение снижается до 110 В, обычные лампы выключаются, а СД-устройства продолжают выполнять свои функции (хотя их яркость уменьшается).

Светодиодные светильники лучшим образом зарекомендовали себя в суровых погодных условиях. Традиционные лампы, используемые для освещения улиц, неудовлетворительно запускаются при температуре воздуха -20°С. А светодиоды исправно работают при температуре до -60°С.

Повышение качества цветопередачи

Высокая контрастность излучения, которая обеспечивается СД-светильниками, позволяет повысить четкость освещаемых объектов и улучшить цветопередачу (ее индекс составляет 75–85 Ra, у ламп накаливания - 68, у натриевых светильников - 25). КПД использования светового потока в данных осветительных приборах достигает 100%, в то время как у стандартных уличных светильников он не превышает 75%.

Интеллектуальная управляемость

Передовые разработчики осветительного оборудования предлагают приборы, контролировать работу которых можно, например, посредством мобильных устройств. В частности, пользователь имеет возможность программировать включение и выключение светильников, настраивать режимы работы для различных жизненных ситуаций, изменять цвет излучения и др.

Расширение сфер применения светодиодного освещения и активное развитие LED-технологий

Благодаря активному развитию световых технологий, светодиодные светильники начали активно использоваться в жилых и офисных помещениях, а также на улицах. СД-приборы используются для организации нестандартных осветительных систем, для подсветки рекламных щитов и витрин, элементов ландшафтного дизайна, фасадов зданий.

Новые технологии светодиодного освещения: инновационные разработки и решения

Активное развитие энергосберегающих технологий светодиодного освещения привело к тому, что мировой объем продаж СД-устройств еще в 2013 году возрос до 14,4 миллиардов долларов, а к 2018 году может достигнуть 25,9 миллиардов. Увеличению темпов роста продаж способствует уменьшение цен на светодиоды до такого уровня, который делает выгодной замену традиционных ламп на светодиодные. Если до 2012 года СД наиболее активно использовались для подсветки дисплеев и экранов телевизоров, то сейчас более 50% рынка приходится на эти осветительные системы.

Основной объем продаж СД-устройств обеспечивают японские (Nichia Corporation, Everlight Electronics и др.) и южнокорейские (Seoul Semiconductor, LG и др.) производители. На долю первых приходится порядка 27–32% рынка, а на долю вторых - около 26–27%. В США рост продаж обеспечивают 3 компании - Cree, Veeco Instruments, Applied Materials, в Европе - только одна - Philips Lighting (Нидерланды). На долю восьми вышеперечисленных производителей приходится порядка 68% продаж СД-техники. Однако в последние годы в обеспечение роста продаж активно включились предприятия из Тайваня (13 компаний) и Китая (9 предприятий).

В развитии технологий освещения отмечаются такие тенденции, как консолидация производителей (обусловленная снижением цен на товары, а, соответственно, и прибылей), интеллектуализация продукции, рост продаж устройств средней и высокой мощности, развитие сферы производства источников питания для светодиодов. Сегодня ученые работают над внедрением следующих инновационных решений.

GaN-светодиоды на кремниевых подложках: на шаг вперед

Эта технология освещения обеспечивает отличную светоотдачу, а, соответственно, высокую яркость света и экономичность использования электроэнергии. Изначально при производстве применялись достаточно дорогие сапфировые подложки, но затем им на смену пришли более доступные по цене кремниевые. Они примерно на 30% дешевле сапфировых, однако вопрос о целесообразности их массового производства пока не решен, так как устройства с кремниевыми подложками оснащаются дорогостоящими источниками питания и оптикой. Соответственно, стоимость конечного продукта снижается незначительно. Разработкой технологий GaN-светодиодов на подложках диаметром 100 и 150 мм в настоящее время занимаются компании Toshiba, LatticePower, Aledia, BridgeLux, Azzurro Semiconductors, Plessey и ARC Energy.

GaN-светодиоды на GaN-подложках: технология будущего

Это еще одна активно развивающаяся современная технология, которая выгодно отличается от технологии с кремниевыми подложками более высоким качеством цветопередачи и интенсивностью светового потока (у GaN-на-GaN изделий он в 5–10 выше, чем у СД GaN-на-Si и GaN-на-SiC). Разработкой данной технологии занимается, в частности, компания Soraa. По мнению специалистов этого предприятия, использование «родной» GaN-подложки дает возможность упростить процесс изготовления светодиодов и снизить себестоимость продукции.

LED SlimStyle: тоньше - значит лучше

Компании Philips и NliteN разрабатывают технологи производства светодиодных ламп SlimStyle . Заявленная стоимость этого изящного изделия составляет менее 10 долларов. Оно отличается тонкостью и легкостью, а также относительно невысокой стоимостью производства. Основная особенность таких ламп - наличие дискообразного теплоотвода, на котором расположены 26 светодиодов. Яркость свечения устройства - 800 лм, мощность - 10,5 Вт.

Лампа излучает мягкий белый свет, срок ее службы составляет примерно 3 года (и это главная причина сомнений в том, что конкурентоспособность продукта будет высокой, так как срок эксплуатации конкурирующих изделий может достигать 10 лет). Разработчики считают, что это СД-устройство может найти применение для освещения квартир и домов.

Источники питания светодиодов по переменному току: проще и эффективнее

При разработке новых технологий освещения уделяется внимание и источникам питания. Так, традиционно для обеспечения равномерного (без мерцания) освещения применяются источники питания на постоянном токе, обеспечивающие защиту светодиодного светильника от короткого замыкания, перегревания и перепадов напряжения.

Но в последнее время намечается тенденция к использованию источников переменного тока. К их преимуществам относится простота архитектуры и способность избавлять светодиоды от таких недостатков как низкая мощность и значительные нелинейные искажения. Разработкой и внедрением источников питания по переменному току занимаются компании Seoul Semiconductor (серия Acriche) и Lynk Labs (серия Tesla).

LED с возможностью настройки цвета

Современные световые технологии позволяют проектировать СД-светильники для получения любого цвета в видимом диапазоне. Полный спектр цветов излучают фиолетовые и синие светильники. Востребованы цветные приборы, прежде всего, для оформления автомашин, торговых и жилых помещений.

Так, Philips производит комплекты СД-ламп Hue , излучение которых (интенсивность, цвет) можно контролировать при помощи мобильных приложений. В комплекте - три лампы и концентратор. Пользователь может программировать график включения и выключения устройств, режимы их работы в различных жизненных ситуациях (работа, отдых и др.). Цвет излучения можно выбрать из палитры или даже с фотографии. Но есть у таких комплектов существенный недостаток - стоимость, достигающая 200 долларов. Этот фактор пока препятствует широкому распространению подобного оборудования.

Human Centric Lighting (HCL): освещение и биоритмы

Разработчики стремятся адаптировать технологии освещения жилого помещения к особенностям человеческого организма, поэтому появились светильники с управляемым цветом излучения. Использование такого оборудования позволяет организовать освещение, которое благоприятно влияет на здоровье человека, в частности, на биоритмы, от которых, по утверждениям исследователей (в рамках программы «Освещение, ориентированное на человека»), в некоторой степени зависит вероятность развития ожирения, диабета и онкологических заболеваний. Эта программа пользуется особой популярностью в США и Европе. Она затрагивает вопросы улучшения настроения, повышения внимания и работоспособности, нормализации режима сна и бодрствования и др. Светодиоды в HCL-светильниках обеспечивают управление цветовой температурой и потоком света. По прогнозам специалистов ассоциации LightingEurope , к 2020 году такие устройства составят около 7% рынка осветительных приборов.

Таким образом, современные технологии систем освещения позволяют пользователям снижать затраты на покупку и обслуживание осветительного оборудования. А наметившаяся интеллектуализация устройств уже сегодня дает возможность дистанционно управлять осветительными системами и настраивать их работу под собственные нужды.

Эффект от внедрения:
-для объекта : снижение стоимости киловатт/часа за счет снижения омических потерь в проводах;
-для муниципального образования : снижение (в несколько раз) капитальных затрат на прокладку линий электропередач, особенно для кабельных линий; экономия (в несколько раз) цветных металлов; снижение затрат на эксплуатацию; исключение аварий, вследствие отсутствия короткого замыкания в проводах, в том числе и за счет опасных погодных явлений (сильный ветер, наледь и др.); снижение уровня энергопотребления за счет уменьшения потерь энергии в проводах. .
Объекты внедрения: Системы освещения , Промышленность , Насосные станции , Подстанции, электрические сети .

В.М. Угаров, генеральный директор, ЗАО «РезонансЭнерго», г. Москва

Предлагаемое решение

Разработана экономичная пожаробезопасная резонансная система электроосвещения с использованием сверхярких светодиодов и люминесцентных ламп. Однопроводная резонансная высокочастотная электрическая система используется в качестве источника энергии. Использование провода или кабеля с одной тонкой жилой позволяет сократить расход цветных металлов, уменьшить капитальные затраты на осветительные сети, исключить возможность короткого замыкания в линиях и хищение кабелей и проводов. Резонансная система питания может найти применение для экономичного энергосберегающего освещения жилых и производственных зданий, а также для освещения сельских населенных пунктов, дорог и улиц.

Однопроводниковые линии позволяют передать электрическую энергию на б́ольшие расстояния, по сравнению с традиционными, уменьшить потери в линии электропередачи, исключить аварии на линии, связанные с погодными явлениями, получить экономию цветных металлов. От однопроводниковой линии можно питать потребителей от одного генератора, для этого достаточно к линии (3) присоединить обратных преобразователей состоящих из резонансного трансформатора (4), выпрямителя (5) и преобразователя со стандартным выходным напряжением (6) (рис. 1).

Линия электропередачи может быть воздушная, кабельная (проложенная в земле) или может просто лежать на поверхности земли. В качестве воздушной линии можно использовать имеющиеся линии электропередачи.

Система с электропитанием по одному проводу в резонансном режиме предназначена для освещения больших помещений, интерьеров подземных и наземных сооружений, вокзалов, железнодорожных станций, выставочных павильонов, вагонов, освещение жилых, спортивных, промышленных, железнодорожных и сельскохозяйственных объектов и помещений, удаленных улиц и железнодорожных станций.

Использование одиночного проводника в качестве волновода для передачи электромагнитной энергии на высокой частоте основаны на свойстве разомкнутой линии индуцировать на поверхности проводника электрические заряды, благодаря которым осуществляется передача электрической энергии.

Традиционная система уличного (рис. 2) освещения большой протяженностью состоит из 3-х фазной высоковольтной линии электропередачи (1) напряжением 6-10 кВ, нескольких трансформаторных подстанций (2) 6-10/0,4 кВ, участков 3-х фазной низковольтной линии (3) протяженностью до 2-3 км и фонарей на газоразрядных лампах с дроссельным питанием. Дроссельное питание, как правило, имеет cosφ равный 0,4-0,55, что увеличивает потребляемый ток в трансформаторах и линии электропередачи, что в свою очередь требует увеличение сечения проводов или установки индивидуальных компенсаторов реактивной мощности.

Таким образом, параллельно линии освещения должны быть протянуты 6 силовых проводов (3-высоковольтных и 3 низковольтных), не считая нулевых и заземляющих.

Резонансная система уличного освещения (рис. 3) состоит из одной трансформаторной подстанции (5) 6-10/0,4-0,6 кВ, преобразователя частоты (6), резонансного трансформатора (7), однопроводниковой линии (8) и фонарей (9) с обратными преобразователями.

Система работает следующим образом. Напряжение источника электрической энергии, подводимое к преобразователю напряжения, преобразуется в повышенное напряжение высокой частоты, и подается на однопроводную линию. К однопроводной линии подсоединены фонари. Лампы могут быть применены компактные люминесцентные или светодиодные.

Например, для линии освещения со стандартной системой питания мощностью 20 кВт, протяженностью 6 км, необходимо:

• 3-х фазная линия электропередачи с напряжением 6-10 кВ, длиной 3 км с минимальным сечением 70 кв.мм х 3 (на отпайках, в линиях 6-10 кВ, допускается минимальное сечение 35 мм2);
• трансформаторная подстанция 6-10/0,4, мощностью 25 кВа (при cosφ=0,9);
• две 3-х фазные низковольтные линии электропередачи с напряжением 0,4 кВ, длиной 3000 м, сечением 150 кв.мм х 3, при потерях напряжения до 8 %;
• фонари с дроссельным балластом (0,9 кг меди в каждом) и компенсаторами реактивной мощности;
• натриевые или дуговые ртутные лампы.

Для линии освещения с резонансным питанием мощностью 20 кВт, протяженностью 6 км, необходимо:

• трансформатор 6-10/0.4-0.66, мощностью 25 кВА (при cosφ=0,9 и кпд преобразователя 0,9);
• преобразователь частоты мощностью 20 кВт;
• резонансный трансформатор (10 кг меди);
• однопроводниковая линия электропередачи длиной 6 км, сечением 6мм2;
• фонари с обратными преобразователями и электронными балластами (0,12 кг меди);
• светодиодные или компактные люминесцентные лампы.

Система электроосвещения прошла апробацию на молодежном форумах «Селигер-2006» и «Селигер-2007» (рис. 4), показывалась на выставках «Архимед-2007», «Архимед-2008», Золотая Осень 2008 и др.

Во всероссийском научно-исследова-тельском светотехническом институте (ВНИСИ) разработана и запатентована система электрического освещения на основе светодиодных ламп с питанием от резонансной однопроводниковой линии.

Преимущества

Преимущества резонансных систем светодиодного освещения:

• передача электрической энергии на большие расстояния без применения трансформаторных подстанций;
• снижение капитальных затрат на электроснабжение;
• уменьшение потерь в линии при передаче электроэнергии;
• исключение аварий на линии, связанных с погодными явлениями;
• принципиальное отсутствие коротких замыканий в проводах;
• получение экономии цветных металлов;
• улучшенная цветопередача;
• экономия электроэнергии;
• высокой срок службы - до 100 тыс. ч;
• возможность плавного регулирования яркости.

Опыт внедрения

На основе апробации данной системы в птичнике ГУП ППЗ «Птичное» Россельхозакадемии (рис. 5) установлено:

• в настоящее время клетки размером 1м х 2м при двух ярусном расположении освещаются двумя лампами накаливания мощностью по 60 Вт итого 120 Вт, данная система не позволяет равномерно освещать клетки всех ярусов (нижние клетки освещены хуже, 5 лк против 15 лк), таким образом, для освещения одной клетки при двух ярусной конструкции расходуется 40 Вт;
• на одну птицеклетку размером 1м х 2 м достаточно 2-х светодиодных ламп мощностью по 1 Вт и одну светодиодную лампу мощностью 1 Вт для освещения прохода обслуживающего персонала, таким образом, для освещения одной клетки при двух ярусной конструкции расходуется 2,5 Вт;
• светодиоды обеспечивают равномерное освещение внутри клетки независимо от яруса расположения клетки;
• резонансная система электрического освещения на основе светодиодных ламп позволяет изготавливать регулируемое освещение внутри любой клетки в пределах 2-20 лк при неизменном спектре излучения (в то время как при изменении яркости ламп накаливания спектр излучения меняется);
• срок службы светодиодных ламп составляет 50 тыс. ч (при уменьшении светового потока на 20 %), у ламп накаливания до 1 тыс. ч (замена 30% ежемесячно).

Полученные результаты производственной апробации разработанной однопроводной резонансной системы освещения на основе светодиодов с целью замены существующих линий освещения свидетельствуют о высокой эффективности и экономичности.

Нормы освещенности внутри клеток обеспечиваются при монтаже двух светодиодных ламп мощностью по 1 Вт снаружи клетки с разных сторон по диагонали.

Однопроводная резонансная система освещения может быть использована для замены существующей системы освещения.

Литература
1. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии, издание второе. Изд. ВИЭСХ, М., 2008.
2. Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин О.А. Однопроводниковые системы электрического снабжения (освещения). Специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» Сборник научных трудов и инженерных разработок. Москва 2008. С. 358-362.
3. Стребков Д.С., Некрасов А.И., Юферев Л.Ю., Рощин О.А. Резонансная система электрического освещения. Экология и сельскохозяйственная техника. Материалы 5-й международной научно-практической конференции 15-16 мая 2007 г. Том 3. Экологические аспекты производства продукции животноводства и электротехнологий. С-П 2007. С. 246-250

Революционное развитие технологий в области наружного освещения позволяет существенно сократить энергопотребление за счет рационального управления, применения инновационных, перспективных энергосберегающих технологии с применением различных типов светильников.

В последние десятилетия проблема энергосбережения в области освещения становится все более актуальной из-за роста вероятности дефицита энергии. Общая доля мирового производства электроэнергии, затрачиваемая на освещение, доходит, по разным источникам до 20—30%, и значительная ее часть приходится на наружное освещение (НО).

В проекте Федерального закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» закладываются основы государственной политики в этой области, при этом большое внимание уделено разработке программ повышения энергетической эффективности в основных отраслях и определение потенциала энергосбережения.

Ведущие компании в области освещения проводят исследования и разработки с целью создания технологий управления энергосбережением в области НО. Реализация таких технологий обеспечивается благодаря применению современных автоматизированных систем управления.

В настоящее время, несмотря на значительный прогресс в области создания энергосберегающих источников света, создалась достаточно стабильная ситуация по использованию современных ламп для наружного освещения. Основные типы источников света, применяемые в этой области, представлены в таблице 1.

Не вдаваясь в подробности сравнения различных типов источников света, необходимо отметить, что революционные сдвиги во внутреннем освещении зданий в настоящее время существенно опережают аналогичные процессы в области наружного освещения. Наиболее распространенным источником света во внутреннем освещении, как для промышленных, так и для бытовых целей, являются газоразрядные люминесцентные лампы низкого давления подключаемые, как правило, через электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА). Широко распространено управление световыми сценариями, обеспечивающее, в том числе и энергосбережение. Для этого применяются различные проводные (DALI, DSI, 1-10V) и беспроводные интерфейсы.

В наружном освещении применяются натриевые лампы высокого давления (НЛВД), а также, в отдельных случаях, более дорогие металло-галогенные лампы (МГЛ), обладающие спектром, более близким к спектру излучения Солнца. Оба типа ламп, оснащаются электромагнитной, либо электронной пускорегулирующей аппаратурой.

В отдельных случаях находят применение светодиодные светильники, однако, как следует из таблицы, от них в настоящее время не следует ожидать существенной экономии электроэнергии.

Предпосылки внедрения технологий управления энергосбережением.

Внедрение энергосберегающих технологий с каждым годом становится все актуальнее. Известны несколько программ, реализованных в Европе и в Северной Америке и направленных как на увеличение экономичности собственно светильников, так и на обеспечение энергосберегающих способов управления.

Рассмотрим возможности управления энергосбережением в наружном освещении. Типовая для России и для ряда других стран схема установка наружного освещения включает в себя трансформаторную подстанцию, преобразующую трехфазное напряжение 6/10 кВ в трехфазное напряжение 220/380 В, пункт включения освещения (ПВ), осуществляющий управление, контроль и энергоучет в сетях освещения и собственно линии НО. В линиях освещения устанавливаются светильники с лампами высокого давления (как правило, НЛВД и МГЛ). Лампы, подключаются по схеме «звезда», т.е. между одним из фазных и нулевым проводом сети. В «обычном» исполнении для обеспечения нормального режима работы НЛВД (МГЛ) в светильник устанавливается электромагнитный пускорегулирующий аппарат (ЭмПРА). ЭмПРА содержит импульсное зажигающее устройство, обеспечивающее начальный поджиг заряда в лампе, балластный дроссель, согласующий нелинейное сопротивление лампы с сетью 220 В и конденсатор, обеспечивающий приемлемый коэффициент мощности.

Возможности экономии электроэнергии в типовых установках НО минимальны. Традиционный до недавнего времени способ экономии энергопотребления при управлении такими установками, заключался в отключении 1/3 или 2/3 светильников в ночное время (на 4—5 часов), когда снижается активность городского населения и интенсивность дорожного движения. Такое пофазное отключение обеспечивает суммарную экономию электроэнергии до 30% и симметричность загрузки трехфазных линий сетей НО при подключении к одному пункту включения нескольких линий наружного освещения. Однако в настоящее время этот способ не признается целесообразным и не рекомендуется для использования международным комитетом по освещению (МКО), в основном, ввиду негативного влияния на безопасность дорожного движения. В Москве и Санкт-Петербурге уже несколько лет такой ночной режим освещения не используется.

Анализ вариантов энергосбережения

Анализ традиционной схемы НО показывает, что возможными резервами по управлению энергосбережением могут быть:

1. стабилизация напряжения;

2. увеличение КПД ПРА;

3. диммирование.

В первом случае экономия достигается стабилизацией режима работы каждой лампы групповым или индивидуальным способом, компенсируя нестабильность напряжения в сети, которая может доходить до ±15%.

Во втором случае достигнуть экономии возможно за счет использования более эффективных балластов, необходимых для питания НЛВД и МГЛ, а именно ЭПРА. Кроме того, более эффективное использование ламп высокого давления может достигаться за счет повышенной отдачи ламп при питании их от ЭПРА за счет отсутствия эффекта так называемого «перезажигания» в каждый полупериод питающего напряжения.

В третьем случае энергосбережение достигается за счет регулировки режима работы ламп (диммирования) в так называемом «ночном» режиме работы. При этом, целесообразным считается обеспечение глубины регулирования светового потока ламп до 50%, что может обеспечить экономию потребляемой мощности по сравнению с полным режимом освещения до 45% . Общее уменьшение энергопотребления за счет того, что ночной режим составляет около половины от всего времени работы ламп, может достигать 25%. МКО признает предпочтительным такой способ регулирования при снижении интенсивности дорожного движения в ночное время.

Суммарный резерв по снижению энергопотребления в сетях НО, таким образом, приближается к 50%.

Рассмотрим несколько методов управления линиями НО с точки зрения энергосбережения.

1. Традиционная схема трехфазной установки НО с обычными светильниками с ЭмПРА и возможностью уменьшения освещенности за счет отключения в ночное время 1/3 или 2/3 светильников, что не признается целесообразным и поэтому в нашем анализе не рассматривается.

2. Схема с двойным количеством светильников (по два на опору), половина из которых в ночном режиме отключается. Схема довольно проста, однако требует больших затрат при монтаже, а также в эксплуатации.

3. Схема со светильниками с двухрежимными ЭмПРА, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 30% за счет подключения в каждом светильнике в ночном режиме дополнительного балластного дросселя. Исторически это были первые на Европейском рынке энергоэкономичные устройства, обеспечивающие снижение энергопотребления без частичного отключения светильников. Необходимо учитывать, что такая схема существенно снижает надежность ЭмПРА и требует использования дополнительного компенсирующего конденсатора, а также линии управления.

4. Схема с симисторными регуляторами, обеспечивающими фазовое регулирование напряжения линии освещения с изменением формы питающего напряжения. Она обеспечивает уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией суммарного энергопотребления до 35%. При простоте реализации такая схема требует использования дополнительного общего регулируемого компенсатора коэффициента мощности и не нашла широкого применения в НО.

5. Схема со светильниками с ЭПРА, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 40%. Такая концепция впервые позволяла использовать все известные возможности по экономии энергопотребления. Однако, решая проблему управления светильниками, эта схема снижает их надежность и существенно увеличивает их стоимость.

6. Схема с регулятором напряжения в шкафу пункта включения НО, построенная на многообмоточном автотрансформаторе с переключаемыми с помощью симисторов обмотками. Она обеспечивает уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 35%. Схема нашла довольно широкое распространение в Европе, но требует использование дополнительного силового шкафа.

7. Схема с конверторами (или так называемыми «электронными трансформаторами») в шкафу пункта включения НО, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 35%. Реализации такой схемы нам не известны; вероятно, это связано с тем, что весьма затруднительно получить в ней требуемую надежность.

8. Перспективная схема установки НО со светильниками с ЭПРА на линиях постоянного напряжения, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 45%. Являясь модернизацией схемы по п. 5, эта схема имеет повышенную, по сравнению с ней, надежность и меньшую материалоемкость.

9. Установка НО со светодиодными светильниками.

По вариантам 3, 5, 8 и 9, в которых используются регулируемые (диммируемые) светильники, возможны следующие подварианты, связанные с различными способами управления светильниками

а) Управление светильниками по дополнительной командной линии с общепринятыми во внутреннем освещении интерфейсами DALI, DSI, 1-10V или другими проводными интерфейсами.

б) Управление светильниками путем коммутации напряжения (тока) в линии НО.

в) Управление светильниками с помощью PLC или FM-модема.

г) Автономное управление светильниками встроенными таймерами.

Все варианты от 3-го по 9-й представляют собой дополнительный уровень автоматизированной системы управления наружным освещением (АСУНО), а именно групповое и индивидуальное управление регуляторами и светильниками.

Было рассмотрено 20 вариантов и подвариантов управления энергосбережением в линиях НО. Многие из этих вариантов уже реализованы, другие вполне могут быть реализованы, а некоторые, скорее всего, не будут реализованы никогда.

Для обеспечения объективности оценки вариантов нам необходимо учесть все факторы, влияющие на экономическую эффективность внедрения каждой конкретной инновации.

Как уже отмечалось, аналогичная революция в области внутреннего освещения, продолжается уже более 20 лет. На начальной стадии этой революции самые примечательные сдвиги произошли в части широкого применения энергосберегающих светильников с ЛЛ и встроенными ЭПРА, дальнейший прогресс многие исследователи связывают с применением сверхярких светодиодов.

Оценка экономической эффективности

При исследовании возможных вариантов управления была разработана методика оценки эффективности внедрения энергосберегающей технологии в НО.

При проведении оценки эффективности учитывалась разница в показателях между конкретным вариантом и типовым вариантом линии НО. В расчете учитывалось:

Энергопотребление линии НО;

Стоимость силовых и управляющих кабелей;

Стоимость светильников;

Затраты на монтаж линии НО;

Затраты на ремонт и обслуживание линии НО;

Стоимость дополнительного оборудования и материалов.

В оценке были учтены прогнозы по росту тарифов на электроэнергию по РФ на весь расчетный период.

Объектом анализа в проводимом исследовании выступает типовой участок скоростной автодороги, за который принят магистральный отрезок трассы длиной 2 км по 4 полосы в двух направлениях, имеющий 328 светильников, 8,2 км линий освещения и обслуживаемый одной трансформаторной подстанцией и 2-мя шкафами управления НО.

Сравнение вариантов проведено по сроку окупаемости (СО). За период расчета принят промежуток в 6 лет.

Результаты оценки представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты оценки вариантов энергосберегающих технологий
	Варианты технологий	Срок окупаемости, лет	% экономии
	Типовая система
	Двойное число светильников
	2-режимные ЭмПРА
	2-режимные ЭмПРА
	2-режимные ЭмПРА
	2-режимные ЭмПРА
	Фазорегурятор
	Система с ЭПРА
	Система с ЭПРА
	Система с ЭПРА
	Система с ЭПРА
	Переключаемый автотрансформатор
	Конвертор
	Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением
	Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением
	Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением
	Светодиоды
	Светодиоды
	Светодиоды
	Светодиоды

Лучшие сроки окупаемости вариантов 8б и 8в объясняются реализацией максимальной экономии электроэнергии при более высокой надежности ЭПРА в сравнении с другими вариантами.

Очевидно, что варианты 4 и 6 из-за меньшей экономии электроэнергии существенно проигрывают варианту 8 в далекой перспективе. Что касается варианта 5, то его недостаточно высокие показатели могут быть объяснены относительно большей ценой ЭПРА и сравнительно меньшей их надежностью. При отладке серийного изготовления высоконадежных ЭПРА при всех других равных условиях этот вариант, вероятно, сможет по эффективности конкурировать с вариантом 8. Система наружного освещения со светодиодными светильниками (вариант 9) имеет большие начальные затраты (высокая цена светильников) и меньшую экономию электроэнергии в сравнении с другими вариантами, СО такой системы превышает 6 лет. Очевидно, что при таких показателях наибольшее применение в НО светодиодные светильники найдут не в утилитарном освещении, а в архитектурно-художественной подсветке.

Особо следует отметить, что расчеты проводились для нового строительства линий НО, либо их капитальной реконструкции. Внедрение технологий энергосбережения на действующих линиях НО без капитальной реконструкции линий потребует уточняющих расчетов, при этом оценки отдельных вариантов могут претерпеть изменения. Впрочем, такие расчеты необходимы для любого конкретного проекта.

Таким образом в области наружного освещения в настоящее время происходит революционное развитие технологий, связанное с расширением возможностей по экономии энергопотребления за счет рационального управления.

На конкретном примере разработки в области управления энергосбережением впервые проведена технико-экономическая оценка эффекта внедрения различных типов технологий на самом раннем этапе проектирования системы.

Анализ и предварительный расчет экономической эффективности вариантов внедрения энергосберегающих технологий показывает наибольшую перспективность систем освещения с ЭПРА на линиях с постоянным и переменным напряжением, обеспечивающих быструю окупаемость и экономию электроэнергии до 40—45%.