Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №10 за 2010 год"
Автор книги: Вокруг Света Журнал
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 10 страниц)
Сияющий кристалл
Светодиоды почти без потерь превращают электрическую энергию в световую, и уже скоро настройка домашнего освещения под настроение станет не более сложным делом, чем выбор музыки
Хорошо, когда на улице солнце (желательно всегда), окна большие, чистые и находятся на потолке. Дневное освещение идеально во всех отношениях, но имитировать его искусственно совсем непросто. В обычных лампах накаливания температура светящейся нити в два раза ниже солнечной (5770 K), и поэтому в спектре их излучения доминируют не зеленые, а красные цвета. Но за 100 лет использования ламп люди привыкли к этому теплому свету.
Ртутные люминесцентные лампы приблизили состав света к дневному (по сравнению с лампами накаливания их обычно и называют энергосберегающими, хотя этого названия достойны и другие лампы). В них электрический разряд ионизирует атомы ртути, а те, возвращая себе оторванные электроны, испускают ультрафиолет, который заставляет светиться люминофор, покрывающий колбу изнутри. Люминесцентные лампы эффективнее переводят электроэнергию в свет, поскольку меньше нагреваются и дают большую часть излучения в тех участках спектра, где чувствительность глаз выше, чем в красной области. Но спектр первых люминесцентных ламп был далек от привычного теплового. Хотя выглядел он белым, цветовосприятие под ним искажалось. К тому же люминесцентные лампы заметно мерцали, утомляя глаза. А еще они были большими, не сразу разгорались и быстро перегорали при частых включениях. Применялись они в основном в учреждениях, отчего стали восприниматься как холодный «официальный» свет.
Техника, однако, не стоит на месте, и почти все недостатки люминесцентных ламп сегодня устранены. Электронные пускорегулирующие устройства избавили от неприятного мигания. Новые люминофоры дают свет более близкий к натуральному дневному, причем есть лампы с разной цветовой температурой – от холодных белых (6500 К) до теплых желтоватых (2700 К). Размеры ламп резко сократились за счет сворачивания газоразрядной трубки в спираль. Решена проблема частых включений и медленного разогрева. Наконец, благодаря унификации цоколя люминесцентные лампы стали взаимозаменяемы со старыми лампами накаливания и поэтому смогли прийти в жилые дома. Цена их первое время кусалась, но с налаживанием массового выпуска стала постепенно снижаться. Настал звездный час люминесцентного освещения.
Лампа накаливания
1. Двойная вольфрамовая спираль, излучающая при нагреве свет, и ее держатели
2. Стеклянная колба с винтовым цоколем
3. Инертный газ, заполняющий колбу и увеличивающий срок службы
Опоздавшие к поезду
К сожалению, промышленность России не успела подготовиться к тотальному переходу на компактные люминесцентные лампы. Их массовое производство не было развернуто, и страна все больше зависит от китайского импорта, который продается под российскими брендами. Правительство, подстегивая промышленность наверстать упущенное, запрещает продажу обычных лампочек накаливания. Заводы срочно переориентируются на опасное ртутное производство, но меры эти запоздалые и, вообще говоря, бессмысленные. Зарубежные производители люминесцентных ламп торопятся «отбить» ранее сделанные инвестиции, а весь мир уже активно осваивает новые светодиодные технологии освещения.
Светодиодные панели еще долговечнее и экономичнее, чем люминесцентные лампы. При этом они не содержат опасной ртути, не боятся частых включений, гибко регулируются по яркости и совершенно не мерцают. На освещение в развитых странах тратится 15–20% производимой электроэнергии. Переход на светодиоды позволит в несколько раз сократить затраты энергии в этом секторе. Поэтому по всему миру государства объявляют о планах тотального внедрения этой энергосберегающей технологии, а ведущие производители – о приоритетности полупроводникового направления в освещении.
Когда люминесцентная лампа, которой вы заменили вчера лампу накаливания, отслужит свой срок, на ее место вы уже сможете поставить светодиодный излучатель. Будет он отечественный или импортный, решается прямо сейчас. Опоздав к «люминесцентному поезду», Россия тем не менее имеет пока шанс успеть на светодиодный и не только обойтись без массового импорта твердотельных лампочек, но и стать одним из значимых игроков на рынке освещения XXI века. В Санкт-Петербурге на предприятиях «Светлана-Оптоэлектроника» и «Оптоган» уже разворачивается производство экологически чистых и высокоэффективных полупроводниковых светильников.
От Маркони до Алферова
Впервые свечение точечного кристаллического детектора наблюдал в 1907 году инженер Генри Раунд из лаборатории Гульельмо Маркони. Внимательно явление электролюминесценции изучил Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории, показавший в 1923 году, что вблизи p-n-перехода в карбиде кремния происходит выпрямление электрического тока, сопровождающееся свечением. Первый патент на «световое реле» был выдан Лосеву в 1927 году, но реальное освоение данной технологии началось не в России, а в США в 1960-е годы, когда полупроводники заявили о себе в полную силу. В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments изобрели и запатентовали технологию изготовления полупроводниковых источников невидимого света – инфракрасных светодиодов. В 1962 году благодаря усилиям Ника Холоньяка из компании General Electric на свет появился первый красный светодиод. Довольно скоро, всего через 10 лет, красненькие циферки загорелись на табло электронных калькуляторов и часов. За прошедшие с тех пор полвека яркость светодиодов выросла в миллион раз, а цена за штуку упала в тысячу раз.
Люминесцентная лампа
1. Стеклянная спиральная трубка, покрытая изнутри люминофором и заполненная инертным газом в смеси с парами ртути
2. Вольфрамовые спирали, между которыми происходит электрический разряд
3. Электронная начинка лампы, выпрямляющая переменное напряжение и обеспечивающая стабильное горение лампы
Главной проблемой первых светодиодов и особенно полупроводниковых лазеров (построенных на базе диодов) была их живучесть. Поначалу, чтобы заставить полупроводник светиться, приходилось пропускать через него электрический ток чудовищной плотности – 1000 А/мм2. Сегодня лазерным светодиодам достаточно всего десятой доли ампера на квадратный миллиметр. Они стали удивительно долгоживущими приборами и могут непрерывно работать 10, а то и 20 лет, практически не снижая яркости, им не страшны частые включения, и они мгновенно выходят на штатный уровень освещения.
Прорыв в области твердотельной генерации света был связан с пионерскими работами Жореса Алферова и Герберта Кремера – нобелевских лауреатов 2000 года. Премию дали не за создание собственно светодиодной технологии, а за «работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров». Но именно на этих гетероструктурах в 1970 году в ленинградском Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе создали первый полупроводниковый лазер, непрерывно работающий при комнатной температуре. Эти научные результаты легли в основу докторской диссертации 35-летнего Алферова. Дальнейшие работы по созданию высокоэффективных светодиодов и лазеров увенчались новым успехом Физтеха – созданием в 1995 году гетеролазера на квантовых точках. По прогнозам, к 2020 году в каждом персональном компьютере будет с десяток лазеров на квантовых точках, используемых для скоростной цифровой связи процессоров, памяти и периферийных устройств. А в патронах ламп появятся «холодные» светодиоды, испускающие поток излучения благодаря тончайшему слою квантовых точек. Это позволит получить действительно приятный для глаза спектр, не теряя в эффективности.
Световая отдача
Центральный элемент полупроводникового диода – p-n-переход. C одной стороны от него, в области n, ток переносят электроны, а с другой стороны, в области p, – дырки, то есть свободные места в кристаллической структуре полупроводника, где электрона не хватает. При пропускании тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу. В области p-n-перехода электроны попадают в дырки, заполняют и нейтрализуют их. В этом процессе рекомбинации выделяется энергия.
Далеко не всегда эта энергия испускается в виде света, то есть фотонов. Например, кремний, основной материал электроники, устроен так, что свободные электроны и дырки рекомбинируют, порождая слабенькую акустическую волну – фонон, – которая быстро рассеивается, переходя в тепло. Поэтому микросхемы греются, а не светятся.
Но в некоторых полупроводниках рекомбинация сопровождается испусканием кванта света, энергия которого зависит от разности энергий электрона и дырки – она примерно постоянна для каждого полупроводника. Например, арсенид галлия служит для создания инфракрасных и красных светодиодов. Тройное соединение галлия, мышьяка и фосфора дает более яркие красные светодиоды, а также желто-зеленые. Различные соединения, содержащие алюминий, индий, галлий и фосфор, стали основой для ярких светодиодов красного, оранжевого и желтого свечения. Фосфид галлия со специальными оптически активными примесями дает зеленое свечение. Нитрид галлия – основной современный материал для ультрафиолетовых, синих и зеленых светодиодов.
Светодиодная лампа (внутреннее устройство)
1. Массив светодиодных модулей, обеспечивающий требуемую яркость лампы
2. Резистор, ограничивающий рабочий ток
3. Пластиковый корпус светодиодной 12-вольтовой лампочки
Единичный светодиод не может излучать белый свет, поскольку энергия испускаемых им фотонов примерно одинакова. По этому для имитации естественного дневного света обычно используют либо матрицы из разноцветных диодов, либо явление люминесценции. Сегодня большинство белых светодиодов – синие или даже ультрафиолетовые, но благодаря слою люминофора их излучение трансформируется в свет, близкий к белому.
Внутренний квантовый выход современных полупроводниковых светящихся кристаллов близок к 100%. То есть каждая пара «электрон – дырка» дает фотон. Если бы все эти фотоны, рожденные в глубине светодиода, выходили наружу, такой источник практически не нагревался бы и всю подведенную энергию превращал в свет. Но, конечно, часть фотонов поглощается внутри кристалла, не успевая дойти до его поверхности. Снижение таких потерь – одно из основных направлений совершенствования светодиодов. Для этого осваивают новые материалы, используют так называемые гетероструктуры, состоящие из множества тончайших слоев различных полупроводников, чередующихся в определенной последовательности. В результате КПД светодиодов, который у первых промышленных устройств был меньше 1%, удалось поднять выше 50%, а световая отдача выросла с 1 до 150 люмен на ватт, что вдвое больше, чем у энергосберегающих люминесцентных ламп. Теоретический максимум светоотдачи для совершенно идеального источника белого света около 250 лм/Вт, так что до предела осталось не так уж и далеко. Как говорят специалисты, этот уровень светоотдачи будет достигнут уже в ближайшем десятилетии.
Другое не менее важное направление развития – получение максимального количества света с минимальной активной площади кристалла. И здесь многое зависит уже не только от базовых свойств полупроводникового материала, но и той степени дефектности кристаллической структуры, которая возникает в процессе выращивания рабочих гетероструктур. Чем меньше рабочий объем светодиода, тем больше их можно изготовить за один цикл технологического процесса и тем дешевле будет светодиодная лампочка. Но с уменьшением размеров становится труднее отводить от светодиода тепло, поэтому увеличение поверхностной яркости напрямую связано с повышением КПД.
Восход с доставкой на дом
Пока у белых светодиодов есть один большой недостаток – высокая цена. Правда, если поделить ее на гарантированный срок службы, учесть экономию электричества и минимизацию работ по обслуживанию, то получается не так уж и дорого. Но все же срок окупаемости составляет два-три года, так что вложения в светодиоды приходится пока рассматривать как долгосрочные инвестиции. Обнадеживает то, что в светодиодной технологии действует так называемый закон Хайтца (аналогичный закону Мура в микроэлектронике), согласно которому цена за один люмен света падает в 10 раз за 10 лет, а мощность, излучаемая отдельным чипом, за это же время возрастает в 20 раз. Если дело пойдет так и дальше, то лет через десять светодиоды станут дешевле ламп накаливания, ну а пока они просто экономичнее, ярче и удобнее в эксплуатации.
Интересные инсталляции можно устроить прямо у себя дома, просто вкрутив в люстру светодиодные лампы, цвет и яркость которых регулируются обычным инфракрасным пультом дистанционного управления. Оснащенный такими светильниками умный дом сможет будить своего хозяина щебетом птиц и радостными лучами восходящего солнца даже в самую хмурую осеннюю погоду. Ну а если вдруг захочется пережить ощущение бури, ничто не помешает вполне натуральной имитации предгрозового сумрака, ярких вспышек молний и мощных раскатов грома. Светодиодам, как и акустическим системам, все это вполне по силам, и только капель дождя с порывами ветра будет не хватать для полного ощущения надвигающейся стихии.
Владимир Решетов
![CDATA[ ]] ![CDATA[ ]]
(прослушано 115 раз)
Хотите журнал целиком?
Скачайте аудио-«ВС» здесь!
Прощайте, лампочки Ильича
Правительства пытаются приговорить лампы накаливания к смерти в пользу энергосберегающих. А вскоре придется запрещать их в пользу идущим на смену лампам новых поколений
О необходимости запрета лампочек накаливания заговорили в середине 1990-х, когда дебаты о глобальном потеплении набирали силу, а позиции «зеленых» на Западе были сильны как никогда.
Политики по обе стороны Атлантики оказались в сложном положении: с одной стороны, избиратели требовали мер по борьбе с глобальным потеплением и снижением энергопотребления, а с другой – вовсе не были готовы на снижение экономического роста, рост цен и возможную потерю рабочих мест. Правительства США, Австралии и некоторых других стран встали в жесткую оппозицию к принципам Киотского соглашения, утверждая, что Запад не может и не должен в одностороннем порядке снижать выбросы парниковых газов, отдавая мировой рынок на откуп мало заботящимся об экологии Китаю, Индии и другим развивающимся странам.
Кроме того, избиратели были вовсе не готовы отказываться от привычного образа жизни, требующего все большего потребления энергии, но при этом все больше ворчали по поводу того, что цены на энергию фактически диктуются странами, на которые они не могут влиять. Иными словами, законодатели оказались в тупике – как снизить потребление энергии, при этом не навредив существующему образу жизни.
Столь модные поначалу ветряки, солнечные панели и переход с угля на газ решения не давали – их введение стоило больших инвестиций, поддержание требовало дотаций и общеэкномический эффект был отрицательным. То есть все эти меры становились выгодными лишь при высокой стоимости выбросов – чем чувствительнее будет налог, тем больше будет экономическая выгода (или тем меньше экономический урон) от установки солнечной панели, например.
Шведская электрическая компания Vattenfall в 2007 году посчитала, что из всех мер энергосбережения наиболее эффективными при низкой стоимости выбросов становятся термоизоляция зданий, переход на энергоэффективные автомобильные двигатели, биотопливо и… отказ от лампочек накаливания. Более того, каждая из этих мер была экономически выгодной. Иными словами, все эти меры снижали выбросы и сберегали деньги домохозяйствам и компаниям.
Местные власти начали активно вкладывать средства в теплоизоляцию зданий – по всей Европе стали утеплять многоквартирные дома, построенные в минувшие полвека, а правительства стали вводить новые нормы для термоизоляции зданий. Счета за отопления в североевропейских странах традиционно высоки, а при том, что поставщики коммунальных услуг стали брать на себя часть расходов по утеплению жилищ, многие согласились с этой мерой без особых протестов и колебаний.
Машины с экономичными двигателями – от просто электрических до электрически-бензиновых – тоже стали быстро завоевывать рынок. Дело даже не только в стоимости бензина, которая в Европе только растет, но и во внеэкономических мерах. Так, к примеру, автомобили с экономичным двигателем освобождаются от уплаты налога на въезд в центр Лондона, который составляет восемь фунтов в день. В борьбе за удобство и экономию европейцы пересматривали свои подходы к транспорту.
Однако с лампочками все оказалось не так просто. На освещение в мире уходит около 19% всего используемого электричества. Данные, представленные во время обсуждения «лампочного дела» в 2007 году в калифорнийском сенате, закончившегося полным запретом ламп накаливания в штате, утверждали, что энергия, сберегаемая за срок службы 24-ваттной люминесцентной лампочки, эквивалентна энергии, которую затрачивает «Тойота-Приус» при переезде из Нью-Йорка в Сан-Франциско. Переход всего мира на новые лампы в домах и офисах привел бы к сокращению потребления энергии на 3%, а если к этому добавить уличное освещение и замену старых ламп дневного света, то вдвое больше.
При этом компактные люминесцентные лампы существовали на рынке уже несколько десятилетий, но популярности так и не завоевали, особенно на Западе.
Посмотрим на лампочную экономику глазами Тео ван Дерсена, главы Philips Lighting, подразделения голландского промышленного гиганта Philips, занимающегося осветительными приборами и всем тем, что связано со светом. Арифметика Дерсена, которую он представил четыре года назад во время дебатов в Еврокомиссии о лампочках, проста. Стандартная лампочка накаливания стоит 1 евро и сжигает электричества на 15 евро в год. Энергосберегающая лампочка стоит 5–6 евро и сжигает электричества на 3 евро в год, а служит в несколько раз дольше первой. Казалось бы, вполне убедительная арифметика. Вывод очевиден. С 1 сентября 2009 года в ЕС вступил в силу закон, запрещающий использовать обыкновенные лампы накаливания. Однако к исходу 2007 года на долю энергосберегающих лампочек приходилось менее 30% всех продаж лампочек компании. При этом, к разочарованию Philips, продажи новых ламп росли быстрее в развивающихся странах – оказалось, что там обыватели и предприниматели с большим вниманием относятся к счетам за электричество, чем в богатых странах.
Экономисты и социологи быстро нашли объяснение. Даже притом что средний счет за свет на двухкомнатную квартиру в Лондоне раз в пять больше, чем в Москве, он все равно мал относительно среднего дохода. Большинство людей просто не беспокоятся о небольшой сумме. Что же касается предприятий, то там обнаружился парадокс управления – те, кто отвечают за экономию средств, не имеют прав одномоментно увеличить расходы на лампочки, это находится в ведении других менеджеров.
Впрочем, потом оказалось, что новые лампочки, даже когда их стали выдавать бесплатно, не завоевывают Запад не только по причине потребительской лени. Потребителей не устраивало, что новые лампочки медленно греются, что их трудно приспособить под выключатели с реостатами. Потребителей также беспокоили разговоры о том, что в лампочках есть ртуть... Кроме того, в отличие от люминесцентных ламп, которые в основном производятся в развивающихся странах, лампы накаливания делают и в странах Запада. Так, только в ЕС на производстве ламп накаливания было занято более 12 000 человек. Это тоже не прибавляло сторонников лампочной революции.
То есть, с одной стороны, избиратели требовали от правительств сократить выбросы парниковых газов и снизить потребление энергии, а с другой – противились переходу на новые лампочки. Счет за электричество оказывался недостаточным стимулом. Невидимая рука рынка бессильно повисла... Правительства и парламенты западных стран изо всех сил пытались развеять страхи: потеря рабочих мест компенсировалась экономией нескольких миллиардов евро в год, которые можно было бы инвестировать в новые рабочие места, вредных отходов от новых ламп не больше, чем от батареек, а собственно их производство чище, чем ламп старых. Что же касается технических проблем – задержки включения и невозможность применения реостатных выключателей, – то их решение дело времени. Рынок не слушал. Тогда власти пошли на непопулярные меры – прибегли к административному регулированию. От Австралии и Новой Зеландии до США, Канады и Великобритании, не говоря уж о ЕС, с разных сроков власти стали вводить – нет, не запрет на лампы накаливания, а минимально допустимый уровень энергосбережения ламп. Он, однако, выше, чем у ламп накаливания.
Реакцию потребителей можно было наблюдать в английских магазинах летом 2008 года – по мере того как одна сеть магазинов за другой объявляла, что больше лампочки накаливания закупать не будет, покупатели сметали с полок все, что оставалось. Газеты успокаивали публику сообщениями, что запаса лампочек накаливания в стране хватит лет на пятнадцать. Кроме того, против запретительных мер выступили любители «традиционного» света. Для них экономия была недостаточным доводом. Лампа накаливания, говорили они, – основа современной цивилизации, позволившая современному человеку продлить активную фазу суток. Качество света новых ламп не устраивало их в галереях и ресторанах, в больницах и музеях. Частично благодаря их усилиям старые лампы выживут во многих таких местах, пока не появятся новые технологии, удовлетворяющие критериям энергосбережения, например светодиодная.
Еще одни противники лампового запрета – ортодоксы свободного рынка. Отец чешских реформ Вацлав Клаус клеймил европейских запретителей при каждом удобном случае. Для него и его единомышленников, считающих, что глобальное потепление – выдумка, а государству нечего лезть в рынок, фактический запрет лампочек был подобен боевому кличу. Они стали символом битвы за свободу человека.
Им, в общем-то, возразить нечего. Европейские и американские законодатели разводят руками и говорят, что ограничения эти необходимы, если действительно пытаться сократить энергопотребление и не губить при этом экономику. Вероятно, они завидуют своим кубинским коллегам – там лампочки накаливания приговорили к смерти одними из первых в мире, гораздо раньше, чем в любой из демократических стран. Правительствам западных стран еще долго придется убеждать противников новых лампочек. А когда убедят, не исключено, что придется запрещать энергосберегающие лампы в пользу, например, светодиодных.
Иосиф Готлиб
