SRVO: Novinky v LED a jejich vliv na návratnost svítidel VO

Nová technologie výroby LED
Na jaře tohoto roku představila firma CREE několik nových vysokovýkonných bílých LED, založených na úplně nové technologii SiC. Opět se jedná o LED vyzařující v oblasti vlnových délek 430-500nm (modrá) a luminofor nanesený na čipu převádí část světelného toku na vlnové délky 480-780nm s maximem v oblasti 530-600nm. SiC technologie poskytuje několik zásadních výhod:

• Výroba není závislá na prvcích vzácných zemin, které se nyní stávají strategickou surovinou.

• Výrazně se snížila výrobní cena LED, poměr lumen/dolar poklesl téměř na polovinu ve srovnání s předchozí generací bílých LED.
• Měrný světelný tok se zvýšil o 20% (opět ve srovnání s předchozí generací) a potenciál této nové technologie není zdaleka vyčerpán.

Vyspělá elektronika v LED svítidlech
Díky možnosti poměrně snadno řídit světelný tok LED změnou stejnosměrného napájecího proudu nebo pulzně-šířkovou modulací se moderní svítidla vybavují řadou elektronických obvodů:

• Kompenzací poklesu světelného toku (obecně při lineárním poklesu světelného toku činí úspora spotřeby polovinu tohoto poklesu, při uvažované technické doba života 20 let a poslední generaci LED činí úspora 4-5% celkové spotřeby).
• Dálkovým řízením světelného toku podle zvoleného denního profilu. Protože LED vykazují při nižších pracovních proudech vyšší měrný výkon, je řízení změnou stejnosměrného proudu významně výhodnější (reálná možnost úspory až 29% celkové spotřeby v případě řízení toku LED pulsně-šířkovou modulací a až 35% v případě řízení toku LED stejnosměrným proudem).
• Nastavení světelného toku svítidla "na míru" v případě instalace nových svítidel na stávající sloupy (možná úspora závisí na konkrétní situaci a vztahuje se jen na jednotlivá svítidla, nikoliv na celou soustavu)

Vliv těchto novinek na dobu návratnosti svítidel
V souvislosti s přívalem takových novinek si nelze nepoložit otázku, jak se takové změny projeví v době návratnosti LED svítidel. Odtud už je jen krůček ke srovnání LED svítidel a svítidel se sodíkovými vysokotlakými výbojkami, které jsou považovány ve VO za standardní řešení. Většina dostupných srovnání těchto dvou typů svítidel vychází buď z praktické instalace, nebo z porovnání dvou výpočtů pro jednu lokalitu. Taková porovnání jsou vždy poněkud nepřesná, neboť každá lokalita obvykle vyhovuje více než jednomu typu svítidel. Pokusil jsem se proto na základě zkušeností s konstrukcí a výrobou LED svítidel o co nejobjektivnější porovnání těchto dvou typů – za srovnávací parametr jsem zvolil celkový světelný tok svítidla a porovnával jsem celkové náklady na světelný bod. Příznivci LED svítidel samozřejmě mohou namítat, že díky lepší možnosti ovlivnit rozložení světelného toku mají svítidla s LED lepší činitel využití - bohužel naprostá většina dostupných optických systémů pro LED svítidla VO zatím nevykazuje tento činitel lepší ve srovnání s kvalitními svítidly s vysokotlakými sodíkovými výbojkami. Protože se zabývám aktuální situací v této oblasti, jsem přesvědčen, že v současné době tento argument v případě LED svítidel neplatí a při svém srovnání jej nebudu brát v potaz. Problematice optických systémů pro LED svítidla veřejného osvětlení a jejich činiteli využití bych se rád věnoval v příštích přednáškách; v současné době je tato problematika hlavní náplní práce naší nové optické laboratoře.

Moje porovnání ignoruje teorie o lepším vnímání díky bílému světlu, lepším vnímání díky výraznější modré složce světla a další podobné nesmysly, sloužící jen k marketingovým účelům. Tyto teorie jednak nemají oporu ve fyzice ani způsobu vnímání lidského oka, zároveň jsou ale v rozporu se závaznými normami na veřejné osvětlení

Při výpočtech jsem se držel těchto zásad:

• Srovnávat ekonomiku LED svítidel s novou soustavou, tvořenou svítidly s vysokotlakými sodíkovými výbojkami (oblíbený trik prodejců nekvalitních svítidel je srovnávat jejich nabídku se světelnou soustavou starou dvacet i více let).
• Použít reálné pořizovací ceny svítidel ze stejné kvalitativní kategorie, svítidla se sodíkovými výbojkami použitá jako referenční jsou vyšší kvality, ale vybavena konvenčními předřadníky.
• Uvažovat možnost řízení světelného toku i u vysokotlakých sodíkových výbojek. V této oblasti jsou údaje výrobců poněkud skoupé, ale většina literatury se shoduje na tom, že vysokotlaké sodíkové výbojky je možno řídit do 50% jmenovité hodnoty příkonu při dodržení určitých podmínek provozování. Důsledkem řízení je snížení měrného výkonu, hodnotu tohoto snížení neuvádí pro jistotu ani výrobci řiditelných předřadníků. Z materiálů o řízení obdobných výbojek vyšších výkonů lze dovodit, že se jedná o pokles nejméně o 25% u vyšších příkonů, u nižších příkonů (do 250W) tento pokles činí nejméně 30%. Cena se navýší ve srovnání s neřízeným elektromagnetickým předřadníkem o cca 1.400Kč.
• Doba svícení 4.200 h ročně (už jsem se setkal s výpočty uvažujícími dobu svícení více než 9.000 hodin ročně, což odpovídá svícení více než 24h denně)
• Cena elektřiny 2,70Kč/kWh, ve srovnání není zahrnut nárůst cen energií ani inflace
• Údaje o spotřebě (včetně ztrát na napájecích zařízeních) jsou získány u svítidel se sodíkovými výbojkami z katalogů, u LED svítidel je uvažována účinnost napájecího zdroje 92%.
• U sodíkových svítidel je oceněna výměna výbojek po 4 letech, výpočet předpokládá, že výměna bude provedena v rámci pravidelné údržby a revize (náklady cca 200 Kč). Opět bych upozornil, že jsem se setkal s kalkulacemi, kdy byla výměna výbojky oceněna snad včetně samostatného výjezdu zdvihací plošiny ke každému svítidlu.

• Svítidla musí mít shodný světelný tok – u sodíkových svítidel je to dáno výbojkou, pro LED svítidla výpočet vycházel z daného světelného toku srovnávané vysokotlaké sodíkové výbojky a výkonu jedné LED. Výsledný počet LED jsem dopočítal tak, aby celek poskytoval shodný světelný tok. Samozřejmě jsem takto došel k necelému počtu použitých LED, a abych se vyhnul chybě vzniklé zaokrouhlováním, sestavil jsem cenu těchto svítidel na základě vzorce. LED svítidla jsou obvykle modulární konstrukce, takže jejich cena se skládá z ceny pevné části (zdroj, uchycení) a ceny proměnné části (počet LED, velikost desky plošných spojů a počet optických prvků). Kontrola takového postupu na několika modulárně koncipovaných svítidlech prokázala poměrně vysokou míru shody a poskytuje výsledky podstatně lépe odpovídající skutečnosti než zaokrouhlení počtu LED na celá čísla.

U svítidel jsem použil časový průběh řízení s poklesem světelného toku na 50% po dobu 7 hodin za den, přestože norma umožňuje ve zvlášť zdůvodněných případech pokles až na 25%. Sdílím přesvědčení renomovaných odborníků, že v takovém případě by bylo vhodnější VO vypnout, protože při snížení světelného toku na ¼ původní hodnoty již ztrácí svůj účel.

Poměrné vyjádření snížení spotřeby elektrické energie svítidla bez regulace a svítidla vybaveného časovou regulací lze zjednodušeně vyjádřit za výše uvedených podmínek takto:

Svítidlo LED s regulací pulsně šířkovou modulací (měrný výkon se regulací nemění):
((4200-6*365)+(6*365*0,5))/4200=0,74 a pokud budeme uvažovat i kompenzaci poklesu světelného toku, pak bude výsledný poměr 0,74*0,955=0,71

Svítidlo LED s regulací stejnosměrným proudem (měrný výkon stoupne o 22%):
((4200-6*365)+(6*365*0,5*0,78))/4200=0,68*0,955 a pokud budeme uvažovat i kompenzaci poklesu světelného toku, pak bude výsledný poměr 0,68*0,955=0,65

Svítidlo s vysokotlakou sodíkovou výbojkou (měrný výkon klesne o 30%)
((4200-6*365)+(6*365*0,5*1,3))/4200=0,82

Již z tohoto srovnání je zjevné, že přínos řízení je u vysokotlakých sodíkových výbojek nižších příkonů výrazně nižší než u LED. Je to dáno tím, že u LED se při snižování příkonu na 50% měrný tok zvyšuje až o 22%, kdežto u vysokotlakých sodíkových výbojek naopak snižuje až o 30%.


Porovnání současných provedení svítidel
V prvním kroku porovnáme současná LED svítidla s diodami o měrném výkonu 100lm/W se svítidly osazenými vysokotlakými výbojkami o příkonu 35 až 150W (v obou případech včetně ztrát v napájecích obvodech). Porovnávat budeme celkové náklady na jeden světelný bod:


Doba návratnost investice do LED svítidel ve srovnání s investicí do HPS svítidel je 7,95 roku, za 20 let vykáží svítidla s LED celkové náklady nižší o 4275Kč.


Doba návratnost investice do LED svítidel ve srovnání s investicí do HPS svítidel je 11,88 roku, za 20 let vykáží svítidla s LED celkové náklady nižší o 3215Kč.


Doba návratnosti investice do LED svítidel ve srovnání s investicí do HPS svítidel je 24,78 roku, za 20 let vykáží svítidla s LED celkové náklady vyšší o 1073Kč. Směrem k vyšším výkonům se doba návratnosti dále prodlužuje a u příkonu 250 W je již investice do LED svítidel nenávratná.
Závěr – současná LED svítidla bez regulace mohou konkurovat při stejném světelném toku svítidlům s vysokotlakými sodíkovými výbojkami do příkonu 50W, výjimečně do 70W a u vyšších příkonů se jedná o investici se špatnou až žádnou návratností.

Vliv zvýšení měrného výkonu LED o 20% a snížení ceny svítidla o 5% na dobu návratnosti investice do VO
V dalším kroku stejným způsobem porovnáme náklady na jeden světelný bod u svítidla s vysokotlakou sodíkovou výbojkou bez řízení a u LED svítidla s avizovanými světlo-emitujícími diodami na bázi SiC. U těchto diod se očekává navýšení měrného výkonu o 20%, tedy na 120lm/W a snížení ceny za lumen na polovinu.


Závěr je opět zjevný – zvýšení měrného toku LED posune hranici návratnosti LED svítidel prakticky o téměř jeden výkonový stupeň. LED svítidla jsou zatím vždy dražší než svítidla s vysokotlakou sodíkovou výbojkou a pokud mají vykázat úspory energie v takové výši, aby se po max. 8 letech tento rozdíl anuloval, musí mít vyšší měrný tok než srovnávané svítidlo.

Podotýkám, že snížení ceny LED se projeví poklesem ceny celého svítidla maximálně o 5%, protože jejich cena tvoří jen zlomek ceny celého svítidla. Větší část činí náklady na napájecí zdroj, optiku a deska plošných spojů na hliníkovém nosiči.

V této souvislosti ještě poznamenám, že uvažuji měrný výkon při maximálním pracovním proudu LED, při nižších proudech je pochopitelně měrný výkon vyšší. Nabízí se samozřejmě myšlenka použít vyšší počet LED, provozovaných při nižším než jmenovitém proudu a dosáhnout tak vyššího měrného výkonu. Na základě podobných srovnání jako je toto jsme zjistili, že díky zvýšeným nákladům souvisejícím s vyšším počtem LED má takto konstruované svítidlo delší dobu návratnosti. Jinými slovy nejkratší dobu návratnosti má svítidlo, jehož LED pracují s maximálním dovoleným proudem, byť je jeho měrný výkon v takovém případě nižší. Nelze také opominout skutečnost, že dvojnásobný počet LED přináší poloviční střední dobu do poruchy celého svítidla.




Vliv časového řízení světelného toku na návratnost investice do VO
V posledním kroku stejným způsobem porovnáme návratnost svítidla s vysokotlakou sodíkovou výbojkou, vybaveného řízeným předřadníkem, s  LED svítidlem, osazeným LED s měrným výkonem 100lm/W, které využívá jak kompenzaci poklesu světelného toku, tak časové řízení (označení R). Pro názornost jsem graf doplnil o náklady obou typů svítidel bez časového řízení.



Použití vyspělé elektroniky k časové regulaci a kompenzaci světelného toku je cestou k LED svítidlům, schopným za současného stavu techniky konkurovat svítidlům s vysokotlakou sodíkovou výbojkou až do příkonu 70, výjimečně 100W. To platí i pro výbojková svítidla s předřadníkem umožňujícím časové řízení, protože snížení nákladů na světelný bod díky řízení je u těchto svítidel nepříliš výrazné, neboť měrný výkon výbojkových svítidel s řízením klesá.

U příkonů 100W a vyšších nejsou současná LED svítidla schopná z hlediska ekonomické návratnosti konkurovat svítidlům s vysokotlakou sodíkovou výbojkou, protože měrný výkon těchto zdrojů je stále podstatně vyšší. V této kategorii je již navíc přínos regulace u výbojkových svítidel ekonomicky významný a návratnost tohoto opatření vynikající.

Lze předpokládat, že s aplikací nové generace LED na bázi SiC, zlepšením fotometrie svítidel  a časovým řízením se hranice konkurenceschopnosti posune k příkonu 100-150W.

Výpočty ukazují, že doba návratnosti LED svítidel je mimořádně závislá především na jejich pořizovací ceně, protože úspory dosažené vyšším měrným výkonem jsou poměrně malé. Jsem přesvědčen, že další vývoj LED svítidel pro veřejné osvětlení se bude ubírat směrem k aplikaci seskupení (clusterů) LED, které již dnes nabízí příkony 60W s měrným výkonem 120lm/W, případně až 200W s měrným výkonem 100lm/W, to vše na jednom společném nosiči o průměru 40-60mm. Tato seskupení umožní zjednodušit a zlevnit konstrukci svítidel a tím výrazně zkrátí dobu návratnosti. Díky tomu, že se radikálně sníží počet použitých optických systémů, bude možné použít náročnější optická řešení, která odstraní další problém LED svítidel – oslnění. Z prudkého nárůstu nových seskupení LED je zjevné, že výrobci LED už k tomuto zjištění dopěli o něco dříve.


Použitá literatura:
Lighting Answers – Diming Systems for High-Intensity Discharge Lamps, vol. 1, number 4, September 1994
LEDs: A Promising Energy-Saving Light Source for Road Lighting, material IEE
Firemní materiály OSRAM
Firemní materiály Philips
Firemní materiály Cree
Cree Product Characterization Tool