HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNE ELEKTRODISTRIBUCIJSKE KONFERENCIJE 3. (9.) savjetovanje Sveti Martin na Muri, 13. 16. svibnja 2012. SO1 06 Davor Petranović Institut za elektroprivredu i energetiku d.d., Zagreb davor.petranovic@ie-zagreb.hr UTJECAJ LED JAVNE RASVJETE NA DISTRIBUCIJSKU MREŽU SAŽETAK Razvoj LED rasvjete je omogućio da se ona moţe koristiti osim za unutarnju rasvjetu i za vanjsku rasvjetu javnih površina. Na početku rada je obrađena povijest LED izvora svjetla, a onda su obrađene karakteristike LED izvora svjetla, svjetiljaka temeljenih na LED izvorima svjetla, regulacije nivoa rasvijetljenosti i načina napajanja LED javne rasvjete iz distribucijske mreţe. LED rasvjeta je uspoređena s klasičnom rasvjetom izvedenom s izvorima svjetla s visokotlačnim natrijem. Razlike su prikazane u alfanumeričkom i grafičkom obliku. Ključne riječi: LED, cesta, rasvjeta, distribucijska mreţa IMPACT OF LED LIGHTING TO THE DISTRIBUTION NETWORK SUMMARY The development of LED lighting has enabled it to be used except for indoor lighting and for outdoor lighting for public areas. At the beginning, the paper deals with the history of the LED light sources, and then were treated the characteristics of the LED light sources, luminaires based on LED light sources, regulation of the illumination level and LED lighting supply from the distribution network. LED lighting is compared with conventional lighting with high-pressure sodium light sources. Differences are displayed in alphanumeric and graphic form Key words: LED, road, lighting, distribution network 1. UVOD Zbog ograničenih energetskih resursa i potencijala, te sve skuplje energije u budućnosti, sve više se vodi računa o energetskoj učinkovitosti i mogućim uštedama električne energije. Prema istraţivanju IEA (International Energy Agency) iz 2009. godine, čak 19% električne energije na nivou cijelog svijeta otpada na rasvjetu. Zbog toga se intenzivno radi na uvođenju novih visoko učinkovitih izvora svjetlosti, a LED je tu daleko najbolje rješenje. Vanjska rasvjeta prometnica u Republici Hrvatskoj je normirana pomoću HRN EN 13201 i njenim dijelovima. Rasvjeta prometnice mora zadovoljiti slijedeće uvjete: a) tijekom voţnje prometnica mora biti vidljiva u svim svojim dijelovima, b) sva opasna mjesta trebaju biti istaknuta da ih vozač stigne primijetiti na vrijeme, c) mora biti osigurana visoka udobnost vidljivosti da se vozač ne napreţe tijekom voţnje, d) sva horizontalna i vertikalna signalizacija mora biti vidljiva i ne smije zasljepljivati vozača. 1
Najvaţnija veličina koju je potrebno imati u vidu pri projektiranju javne rasvjete je luminancija. Svjetlost iz svjetiljke pada na cestu, te se reflektira od njene površine u oko promatrača, koji je doţivljava kao sjajnost. Ukoliko je luminancija prejaka ona moţe omesti sudionike u prometu. LED tehnologija se počela koristiti 1990. godine u prometnim znakovima i putokazima. Današnje LED svjetiljke su na dobrom putu da uđu u široku primjenu u javnoj rasvjeti te u potpunosti izbace svjetiljke bazirane na ţivi ili natriju. S radnim vijekom od 10-15 godina koji je najmanje tri puta duţi od ţivotnog vijeka dosadašnjih tehnologija, sami troškovi odrţavanja daju veliku prednost LED tehnologiji. Gledano sa ekološkog stajališta, svjetiljke bazirane na LED tehnologiji pruţaju uštedu od min. 50% u uštedi energije. Uz to one ne sadrţe tvari štetne za okoliš kao što je ţiva te smanjuju svjetlosno zagađenje zbog mogućnosti preciznog usmjeravanja svijetla. Kod odabira ulične LED svjetiljke moraju se ispuniti slijedeći kriteriji: a) svjetiljka mora imati ţivotni vijek od min. 5 godina (iako je ţivotni vijek LED izvora i do 50000 sati), b) mora zadovoljavati određene svjetlosne karakteristike koje udovoljavaju zahtjevima za uličnu rasvjetu, c) zadovoljavajuća zaštita od utjecaja prašine i vode IP sustav zaštite, d) mehaničku čvrstoću. Uzevši u obzir ove kriterije, prilikom odabira LED svjetiljke potrebno je razmotriti njezine termičke, optičke, mehaničke karakteristike te električnu snagu. 2. POVIJEST LED IZVORA SVJETLA LED (eng. Light Emitting Diode) je poluvodički element koji u vodljivom stanju, prilikom spajanja elektrona i šupljine, emitira svjetlost određene valne duljine. Valna duljina emitirane svjetlosti (boja) ovisi o vrsti korištenog materijala. Izumio ju je 1962. godine Nick Holonyak iz tvrtke General Electric.Prva komercijalna proizvodnja počine 1967. godine u SAD-u (Monsanto company), te se koriste kao indikatori. 1968. godine Hewlett Packard ih počine proizvoditi i ugrađivati u svoje alfanumeričke pokazivače. 1976. godine nakon otkrića visoko sjajne LED (T.P.Pearsall), počine njihova primjena u telekomunikacijama i signalizaciji. 1970. godine tvrtka Fairchild Electronics uspijeva proizvesti prvu LED ispod proizvodne cijene od 5 centa, za ilustraciju prve LED proizvedene samo par godina ranije su koštale preko 200$. Kako se razvijala tehnologija izrade LED, tako je rastao i svjetlosni tok emitirane svjetlosti, odnosno njihova učinkovitost (lm/w). Do prekretnice kada se o LED-u počelo razmišljati kao o izvoru svjetlosti, dolazi 1995. godine, kada je Shuji Nakamura (Nichia Corporation), projektirao prvi bijeli visoko sjajni LED, napravljen na bazi InGaN (Indij Galij Nitrida) S obzirom da je razvoj LED tehnologije išao vrlo brzo, američki znanstvenik Heitz je otkrio linearnost između vremena i eksponencijalnog povećavanja svjetlosnog toka, pa je po njemu nazvan tzv. Haitzov zakon. Sam zakon govori o tome da se svake dekade trošak izrade LED po lumenu svjetlosnog toka smanjuje 10 puta, dok se količina svjetlosnog toka povećava 20 puta po watu utrošene snage. 3. SUVREMENA LED TEHNOLOGIJA Kao i kod standardne diode, LED se sastoji od čipa napravljenog od poluvodičkog materijala, dotiranog određenim primjesama kako bi se stvorio P-N spoj. Pod djelovanjem istosmjernog napona elektroni prelaze s N strane na P stranu i u području spoja se spajaju sa šupljinama, prelaze u niţe energetske nivoe, te otpuštaju višak energije u obliku svjetlosti, tj. fotona. Boja emitirane svjetlosti, odnosno njena valna duljina ovisi o vrsti materijala koji se koristi u izradi P-N spoja. Obične diode se izrađuju od poluvodičkih materijala silicija i germanija, te u takvim slučajevima pri spajanju elektrona i šupljina, ne nastaje optička (vidljiva) emisija svjetlosti. 2
Dijelovi LED-a: 1. Epoksidna kapa/leća 2. Ţica, vodič koji povezuje anodu i PN spoj 3. Reflektor, usmjerivač svjetlosti4. Poluvodički materijal (PN spoj) 5.,6 Nosači elektroda Slika 1 Dijelovi LED-a Materijali koji se koriste za izradu LED-a, imaju energetski pojas u području bliskom infracrvenom ili ultraljubičastom svjetlu. LED se uobičajeno proizvode na principu N-tip podloge, s elektrodom priključenom na P-tip sloj, nanošenom na podlogu. Postoje i obrnute izvedbe gdje se na P-sloj podloge nanosi N-tip sloja, iako je taj način proizvodnje puno rjeđi. Svi materijali koji se koriste za izradu LED-a imaju vrlo visok indeks loma svjetlosti. To znači da će se većina svjetlosti reflektirati natrag na materijal. Taj lom se dešava na prijelazu materijala i zraka. Upravo to usmjerivanje svjetlosti je vrlo vaţan segment proizvodnje LED-a i područje brojnih istraţivanja i razvoja. Tipične svjetleće diode namijenjene za indikatore su dizajnirane za električnu snage veličine 30-60 mw. Tijekom 1999. godine Philips Lumileds je predstavio prvu svjetleću diodu snage 1 W, koja je mogla trajno podnositi taj toplinski teret. Takve svjetleće diode koriste puno više poluvodičkih materijala i kod njih je osnovni problem odvođenje topline. Tako da svi LED čipovi u svojoj konstrukciji moraju biti projektirani sa odgovarajućim hladnjacima. Jedna od ključnih prednosti LED rasvjete leţi u njenoj visokoj učinkovitosti. Tu u prvom redu mislimo na njezinu svjetlosnu učinkovitost, odnosno emitiranu količinu svjetla (izraţenu u lumenima) po watu utrošene električne snage. Učinkovitost LED-a raste, tako da je npr. 2002. godine Philips Lumiled proizveo 5W LED, s time da se njegova tadašnja iskoristivost kretala između 18-22 lm/w. Za usporedbu klasične ţarulje sa ţarnom niti u rasponu snage od 60-100 W imaju učinkovitost od 15 lm/w, dok se kod fluo cijevi penje do maksimalno 100 lm/w. Prema trenutno dostupnim informacijama, najviša prijavljena učinkovitost LED-a je iz veljače 2010. godine, kad je tvrtka Cree Inc. proizvela prototip čipa od 208 lm/w (pri sobnoj temperaturi). U praksi se za rasvjetu koriste LED čipovi većih snaga, od nekoliko wata do nekoliko desetaka wata, te je u takvim slučajevima učinkovitost osjetno manja. Za takve čipove se obično koriste radne struje jakosti 350 ma ili 700 ma. Pri tome se vodi računa o padu učinkovitosti s rastom jakosti struje. Zaliveni elektronički elementi (tzv. solid state) kao što su i svjetleće diode, vrlo su otporni i dugotrajni ukoliko rade sa malim strujama (unutar dozvoljenih granica) i na niskim radnim temperaturama. Tako da i danas u mnogim postrojenjima moţemo naići na ispravne LED proizvedena 70-tih i 80-tih godina prošlog stoljeća. Deklarirani ţivotni vijek LED se kreće između 25.000 i 100.000 radnih sati, ovisno o snazi i proizvođaču. Najveći utjecaj na ţivotni vijek imaju temperatura okoline i stabilnost jakosti struje. Što se tiče ţivotnog vijeka LED, on se definira u odnosu na nominalnu jakost svjetlosnog toka. Kada taj svjetlosni tok padne ispod 50% nominalne vrijednosti, onda se smatra da je ţivotni vijek završio.vrlo su rijetki slučajevi da čip jednostavno pregori i takve situacije su povezane sa izrazitim prenaponima i nadstrujama u mreţi. Inače se većina LED napaja preko konvertera koji ih i galvanski odvajaju i štite, te osiguravaju stabilne uvjete napajanja. 3
Slika 2. Opadanje svjetlosnog toka tijekom vremena Što se tiče vijeka trajanja on je klasificiran od strane proizvođača oznakama L50 i L75, što označava prestanak vijeka trajanja s padom svjetlosnog toka na 50% odnosno 75% nazivne vrijednosti. Vrlo vaţan parametar je temperatura okoline, koju većina proizvođača deklarira sa 25 C. Međutim u praksi mnoge LED rade na znatno višim temperaturama, prvenstveno zbog širokog spektra primjene (promet, signalizacije u postrojenjima i sl.) Povećanje temperature dovodi do slabljenja svjetlosnog toka, odnosno do skraćivanja vijeka trajanja i pregaranja. I kod LED kao i kod ostale elektroničke opreme vrijedi pravilo da kontinuirani rad na 10 C višoj temperaturi od deklarirane skraćuje vijek trajanja za pribliţno 50%. S druge strane uz pad temperature svjetlosni tok LED raste, tako da maksimalni tok daju pri temperaturi okoline od 30 C, na niţim temperaturama od toga ponovno svjetlosni tok pada. Iz toga razloga se LED sve više koristi u rasvjeti hladnjača, ledenica, policama sa zamrznutom hranom i sl. Postoje dva osnovna načina proizvodnje bijele LED: Jedan način je da se svjetleća dioda sastoji od tri čipa, koji bi svaki emitirao jednu od osnovnih boja, tzv. RGB (Red Green Blue) tehnologija. Miješanjem te tri osnovne boje (crvene, zelene i plave) dobije se bijela svjetlost. Takva metoda ima i velikih prednosti, jer se regulacijom moţe postići da dioda svijetli bilo kojom bojom spektra. Drugi način je da se na izvorno plave ili UV svjetleće diode, nanese sloj fosfornog premaza, koji konvertira svjetlost spomenutih valnih duljina u bijelu boju. Ovisno o vrsti i strukturi premaza mogu se dobiti i različite temperature bijele boje, u rasponu od 2700 K (topla bijela, ţućkasta) do 6500 K (hladno bijela, plavkasta). Ova metoda se bazira na premazivanju monokromatskih (najčešće plavih, izrađenih od InGaN) svjetlećih dioda fosfornim slojem. Tako dobivene LED se nazivaju fosforno bazirani bijeli LED. Lomljenjem plave svjetlosti prilikom prolaza kroz fosforni sloj, dolazi do promjene valne duljine iz kraćih u dulje. Ovisno o boji svjetlosti originalne LED, te o vrsti i debljini fosfornog sloja, mogu se dobiti različite nijanse bijele boje. Visokoučinske LED, mogu emitirati svjetlosni tok preko 1000 lumena. Pogonska struju im je u rasponu od 100 ma do preko 1 A. Zbog pogubnog djelovanja topline na LED čipove, obavezno se moraju ugraditi odgovarajući odvodnici topline (hladnjaci), U načelu vrijedi pravilo da se po 1 W instalirane snage, mora staviti hladnjak površine 100 cm². HPLED (High Power LED), najčešće se koriste u rasvjeti, kako interijera tako i eksterijera. Koriste se u izradi reklama, auto industriji i sl. Danas su već razvijene LED koje koriste izmjenični napon 230 V AC za napajanje, pa se koriste kao i adekvatne zamjene za izvore svjetlosti u kućanstvima.ţivotni vijek LED svjetiljke i njezine svjetlosne karakteristike ovise o temperaturi LED vodljivog spoja. 4
4. USPOREDBA UOBIČAJENIH I LED IZVORA SVIJETLA Usporedbu između uobičajenih izvora svijetla i LED izvora svijetla se mora vršiti prema osnovnim karakteristikama izvora svijetla (tablica I.), ali i karakteristikama svjetiljaka u koje se ugrađuju (slika 3.). Tablica I. Usporedba izvora svjetla Vrsta izvora Svjetlosni tok (lm) Iskoristivost (lm/w) Temperatura svjetla (K) Odziv boje Ra Snaga (W) Niskotlačni natrijev 1800-32500 100-203 1700-18-180 Visokotlačni natrijev 1300-90000 50-130 2000-2500 10-80 35-1000 Metalhalogeni 5300-220000 75-140 3000-5600 65-95 70-2000 LED 10-170 >110 3000-8000 >90 0,1-3 Slika 3. Iskoristivost izvora svjetla Prednosti LEDa u odnosu na klasičnu rasvjetu a) Dulji ţivotni vijek 100.000 radnih sati L70 b) Modularno građenje snage sustava manja instalirana snaga c) Instant odziv na signalnu pobudu mogućnost dinamičke regulacije d) Izvor ne sadrţi ţivu ekološka rasvjeta e) Bolje svjetlotehničke karakterisitke preciznije usmjeravanje snopa 5
Slika 4. Svjetlosna iskoristivost NaVT i LED izvora svjetla Na slici 4. su prikazane svjetlosne iskoristivosti NaVT i LED izvora svjetla smještenih u pripadnim svjetiljkama. Uočljivo je da LED izvor svjetla u pripadnoj svjetiljci ima bolju iskoristivost svjetlosnog toka, budući da je bolje usmjeren na osvijetljenu površinu cestu i veći dio svjetlosnog toka pada na ţeljenu površinu - cestu. Slika 5.Primjer izoluks krivulja klasične svjetiljke (lijevo) i LED svjetiljke (desno) Na slici 5. se vidi kako LED svjetiljka bolje usmjerava svjetlosni tok pa se postiţe bolje iskorištenje proizvedenog svjetlosnog toka i bolja jednolikost. 6
Slika 6. Rasvjeta ceste prilikom kvara pojedinog modula u LED svjetiljki Varijanta A Slika 7. Rasvjeta ceste prilikom kvara pojedinog modula u LED svjetiljki Varijanta B Na slikama 6.. i 7. su prikazana dva načina izvedbe LED svjetiljki. U prvom načinu svaki LED modul pokriva dio ceste, dok u drugom svi LED moduli u svjetiljci pokrivaju cijelu cestu. Zbog toga u prvom slučaju imamo neosvijetljene dijelove ceste, a u drugom se smanjuje rasvijetljenost na cijelu cestu. 5. NAPAJANJE I REGULACIJA RASVJETE Javna rasvjeta se napaja iz ormara javne rasvjete, najčešće smještenim uz distribucijske transformatorske stanice 10(20)/0.4 kv. U njima se pored obračunskog mjernog mjesta, nalaze zaštitni aparati i uređaji za regulacija intenziteta rasvjete. Zamjenom klasične rasvjete LED rasvjetom, neće se ništa mijenjati budući se do LED svjetiljke dovodi izmjenični napon 230 V, 50 Hz i u njoj se pretvara u istosmjerni napon 10 V, 12 V ili 24 V. Svjetlosnim tokom LED svjetiljke se moţe upravljati na dva načina. Prvi način obuhvaća mijenjanje jačine struje kroz LED diodu. Drugi način koristi impulsno napajanje LED diode u kratkim vremenskim intervalima. Pri tome se primjenjuje modulacija širine impulsa (Pulse Width Modulation PWM). Kod prvog načina mijenjanje struje kroz LED se moţe izvesti lokalno sa fiksno podešenim vremenskim intervalima i amplitudama ili centralno sa varijabilno podesivim vremenskim periodima i amplitudama, te ţičnom ili beţičnom vezom do svjetiljke (npr. DALI sustav). Kod modulacije širine impulsa napon ima punu amplitudu, ali u kratkim impulsima tako da ljudsko oko ne primjećuje pulsiranje nego samo srednju vrijednost. Tipična vrijednost frekvencije pulsiranja je 200 Hz. Za LED rasvjetu se moţe koristiti isti PWM sustav koji je primijenjen na klasične izvore svjetla. Prednost LED rasvjete je gotovo trenutni odziv na promjenu napona, te korisnici ne primjećuju treperenje LED rasvjete. 7
6. UTJECAJ NA DISTRIBUCIJSKU MREŽU Kao digitalni uređaj LED rasvjeta unosi smetnje u distribucijsku mreţu. Iznos smetnji (harmoničko izobličenje THD) iznosi ovisno od tipu i proizvođaču svjetiljke do 10 ili do 20%. Slika 8. Valni oblik struje kroz LED izvor svjetla i napona na LED izvoru svjetla Slika 9. Sadrţaj naponskih viših harmonika kod LED izvora svjetla Totalna harmonijska distorzija (THD) struje mora biti u skladu s normom EN 61000-3-2:2006, a računa se prema slijedećoj formuli: pri čemu su: 40 I n THD 100% (1) I1 n 2 THD - totalna harmonijska distorzija struje (%), n - broj harmonika, I 1 I n - struja osnovnog (prvog) harmonika (A), - struja n-tog harmonika (A) 2 8
Utjecaj viših harmonika se očituje u slijedećim efektima: a) viši harmonici utječu na ostalu opremu (EMC), b) viši harmonici generiraju dodatne gubitke u kabelima, generatorima, c) viši harmonici izazivaju povećane padove napona zbog porasta reaktancije, d) viši harmonici mogu izazvati preopterećenje nultog vodiča u TN sustavu zaštite, e) viši harmonici utječu na faktor snage budući su generatori preopterećeni. Drugi utjecaj će se očitovati kroz smanjenje opterećenja distribucijske mreţe zbog manje instalirane snage, zbog bolje svjetlosne iskoristivosti i bolje regulacije svjetlosnog toka. Postojeća oprema u ormarima javne rasvjete se moţe zadrţati budući da se LED rasvjeta napaja izmjeničnim naponom 230 V, 50 Hz, a moţe raditi na uobičajenoj regulaciji rasvjete temeljenoj na modulaciji širine pulsa. U distribucijskim područjima gdje operator distribucijske mreţe odrţava javnu rasvjetu smanjit će se opseg radova zbog duljeg ţivotnog vijeka LED rasvjetnih tijela, a opskrbljivaču električne energije će se smanjiti prihodi zbog manje isporučene električne energije. 7. ZAKLJUČAK Prema svim relevantnim istraţivanjima i pravcima razvoja, vrijeme LED rasvjete definitivno dolazi. Trenutno ne postoji niti jedno tehnološki izvedivo rješenje koje u relativno kratkom roku (3-5 godina) moţe bitno pridonijeti uštedi električne energije na globalnom planu kao što to moţe LED rasvjeta. Već sada imaju najvišu učinkovitost (preko 200 lm/w). Svi postojeći (konvencionalni) izvori svjetlosti su već dosegli svoju točku maksimalne funkcionalnosti i uporabljivosti, te se u njihov razvoj prestalo ulagati. Prednost LED izvora svjetla je i u načinu njihove ugradnje u svjetiljke, gdje zbog karakteristike zračenja izvora svjetla postiţe dvostruko veću iskoristivost, pa se postiţu niţi troškovi za električnu energiju. Druga prednost je bolja regulacija nivoa rasvijetljenosti čime se također postiţe ušteda električne energije. Zbog mogućnosti regulacije ova tehnologija moţe proizvesti mnogo učinkovitiju rasvjetu, koja moţe udovoljiti ekološkim standardima. Treća prednost je duţi ţivotni vijek čime se također postiţe ušteda. Sve ove karakteristike će izazvati smanjenje pogonskih troškova korisnika javne rasvjete, gubitaka u distribucijskoj mreţi, ali i smanjenje zarade opskrbljivača električnom energijom. LITERATURA [1] HRN EN 13201 Cestovna rasvjeta [2] HRN EN 61000-3-2:2001 Elektromagnetska kompatibilnost (EMC) -- 3. dio: Granice -- 2. odjeljak: Granice za harmoničke strujne emisije (za ulazne struje uređaja manje ili jednake 16 A po fazi) (IEC 61000-3-2:2000; EN 61000-3-2:2000) [3] D. Petranović, LED rasvjeta, Tehničko veleučilište u Zagrebu, XI Seminar stručnog usavršavanja ovlaštenih inţenjera elektrotehnike u graditeljstvu, Zagreb, 11. i 12. studeni 2011. [4] I.. Fink, Primjena LED tehnologije u unutarnjoj rasvjeti, diplomski rad, TVZ Specijalistički studij, Zagreb, 2011. [5] D. Dupor, LED u rasvjeti, Dani ovlaštenih inţenjera, Zadar, 2001. [6] OSRAM, katalozi i prezentacije (www.osram.hr) [7] PHILIPS, katalozi i prezentacije (www.lipapromet.hr) 9