Czy diody LED mogą chronić klimat?

Opatentowana przez Edisona w 1879 roku zwykła żarówka, powoli odchodzi do lamusa. Powód? Jej wyjątkowa energochłonność. Efektywnie wykorzystuje zaledwie pięć proc. energii. Reszta to straty cieplne związane z procesem emitowania światła przez rozżarzony żarnik wolframowy. W całej Unii Europejskiej kupuje się rocznie dwa mld żarówek, z czego dwie trzecie znajduje zastosowanie w gospodarstwach domowych. W Polsce co roku sprzedaje się 27 mln zwykłych żarówek i pięć mln  żarówek halogenowych. To dużo. Badania pokazują, że aż 20 proc. konsumowanej w Polsce energii zużywamy na oświetlenie w domach. Podobnie jest w całej Wspólnocie. Dlatego w grudniu 2008 r. UE podjęła decyzję o wycofywaniu tradycyjnych źródeł światła i postawieniu na świetlówki oraz inne źródła wyładowcze. Ta decyzja łączy się ze sprawą unijnych zobowiązań do wewnętrznej redukcji emisji gazów cieplarnianych. Oprócz wykorzystywania w większym stopniu odnawialnych źródeł energii, głównym narzędziem w walce ze zmianami klimatycznymi jest efektywność energetyczna: w energetyce, przemyśle i w gospodarstwach domowym. W klasycznej domowej technice oświetleniowej, opartej na źródłach żarowych, łatwo jest zwiększyć sprawność poprzez zmianę używanej technologii. Wystarczy zacząć stosować świetlówki, w tym kompaktowe oraz nowe źródła wykorzystujące zjawisko świecenia specjalnie zaprojektowanych elementów półprzewodnikowych (diody świecące - LED).

We wrześniu 2009 r. ze sklepowych półek krajów Unii mają zniknąć żarówki o mocy 100 watów, zaś rok później: 75 W. Od 2011 r. ze sprzedaży wycofane zostaną żarówki powyżej 60 watów, a od 2012 r. wszystkie zwykłe żarówki. Od tego czasu dostępne będą jedynie dwunastowoltowe żarówki halogenowe o lepszej sprawności niż tradycyjne źródła światła.

Każdy konsument chce płacić jak najmniej za energię elektryczną, ale chce też zaspokajać własne potrzeby w zakresie oświetlenia mieszkania lub domu. Technologia diodowa (LED) - według wiodących producentów - będzie w stanie zastąpić klasyczną technologię żarową już za dwa lata. Dotychczasowe źródła światła zostaną wyparte przez mające dwudziestokrotnie mniejszą moc oświetlenie diodowe. Producenci twierdzą, że źródła te osiągną wydajność świetlną rzędu 200 lumenów z jednego Wata energii elektrycznej (zwykłe żarówki mają sprawność 25 lm/W). Aktualnie jasność diod (LED) jest już tak duża, a ceny na tyle niskie, że w ciągu roku koszt użytkowania świetlówki energooszczędnej jest dwukrotnie wyższy niż LED, a tradycyjnej żarówki - sześciokrotnie przy tej samej jasności źródła. Obliczenia uwzględniające globalne zapotrzebowanie na energię oraz stopniowe przechodzenie na odnawialne źródła energii np. oświetlenie domu całkowicie z baterii słonecznych wskazują, że diody pozwolą obniżyć o połowę zużycie energii potrzebnej do oświetlenia.

Szacuje się, że w przyszłości wielkość emitowanego strumienia świetlnego z jednego chipu LED wyniesie około 1500 lm przy sprawności 150-200 lm/W. Oznacza to, że strumień będzie zbliżony do aktualnie używanych źródeł światła żarowego, ale dioda pobierze siedem, a nie 75 Watów.

Aktualnie dostępne są już diody o sprawności w granicach 80 lm/W. Zatem już obecnie źródła diodowe LED są najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem dostępnym na rynku.

Diody LED pozwalają regulować barwę światła w procesie produkcji lub po jej zakończeniu. Człowiek najlepiej czuje się, pracuje, zwiększa zdolności koncentracji przy barwie światła odpowiadającej dziennemu światłu słonecznemu. Zmiana barwy umożliwia produkcję lamp, które będą zmieniać barwę np. zależnie od pory dnia.

Budowa diod sprawia, że w porównaniu z tradycyjnymi źródłami światła są one niezniszczalne – charakteryzują się dużym temperaturowym zakresem pracy , wytrzymałością mechaniczną, są niewrażliwe na wstrząsy. Źródła diodowe świecą do 100 000 godzin (zwykła żarówka około 1000 godzin). Bardziej miarodajny parametr to jednak jest połowiczny czas życia diody, czyli czas, po którym jej jasność spada do połowy jasności początkowej. Stopniowy spadek jasności to z jednej strony zaleta, z drugiej - wada. Zmniejszająca się jasność daje sygnał do wymiany źródła. W przypadku standartowego oświetlenia, gdy żarówka przestanie świecić, jesteśmy zmuszeni natychmiast ją wymienić.

Diody nie ogrzewają powierzchni, na którą świecą, nie nagrzewa się też soczewka diody. Wysokie temperatury występują tylko w jej strukturze. Dlatego w przypadku diod wysoko prądowych trzeba stosować radiatory odprowadzające ciepło. Obecnie temperatury chipu diody wahają się od 80 do 135° C. Szacuje się, że temperatura ta może osiągnąć nawet 250° C.

Poziom promieniowania UV jest znany na etapie projektowania, co ułatwia jego eliminację. W źródłach diodowych występują fale o niższych energiach (370-410 nm) niż fale lamp fluoroscencyjnych (185 nm i 254 nm). Znikome promieniowanie UV i IR diody LED pozwala stosować je przy oświetleniu wrażliwych na to promieniowanie eksponatów w muzeach i galeriach, a także przy iluminacji zabytków.

Włączenie diody nie przekracza 100 ns, wyłączenie 200 ns. To duże szybkości umożliwiające sterowanie tzw. szerokością wypełnienia impulsu. Efektem jest łatwe ściemnianie lamp LED oraz bezpośrednie sterowanie ich pracą sygnałem cyfrowym, co dotychczas nie było na ogół praktykowane w technice oświetleniowej. Lampy uliczne potrafią się włączać nawet kilka minut! Żarówki energooszczędne rozgrzewają się w kilkadziesiąt sekund. Dioda - ułamki sekundy.

Łatwość obsługi i utylizacji, coraz niższa cena, bezpieczeństwo – te cechy stanowią dodatkowe atuty przemawiające za stosowaniem diod LED. Diody są zasilane napięciami stałymi o niskiej wartości, zazwyczaj nie przekraczającej 24 V – to napięcie bezpieczne dla ludzi i zwierząt. Znikają też problemy z indukcją elektromagnetyczną i zakłóceniami charakterystycznymi dla napięć przemiennych.

Obecnie uznaje się, że źródła diodowe LED są najbardziej pożądanym rozwiązaniem w technice oświetleniowej. Według profesorów E. F. Schuberta i J. K. Kima z Politechniki Renssellaer, gdyby w ciągu dziesięciu lat zastąpić wszystkie działające źródła światła źródłami typu LED (będzie to najprawdopodobniej w najbliższym czasie technologicznie możliwe), na całym świecie moglibyśmy uniknąć emisji 10,6 miliardów ton CO2. To ponad trzykrotnie wyższa wartość niż sumaryczna emisja objęta Systemem Handlu Emisjami w Unii Europejskiej.
 

Wojciech Stępniewski
WWF