Лампочки будущего

День Земли проводится 22 апреля с 1970 года и призван напомнить людям о важности бережного отношения к природе. Именно в этот день в 2012 г. компания Philips выпустила на рынок свою новую светодиодную лампочку, которая призвана заменить обычные лампочки накаливания и флуоресцентные лампы. Правда, у неё есть один недостаток: она стоит 60 долларов.

Новая лампочка называется довольно бесхитростно: Award Winning LED Bulb, то есть «получившая награду светодиодная лампочка», но на то есть основание. В 2008 году Министерство энергетики США объявило конкурс L Prize, или Bright Tomorrow Lighting Prize, цель которого — стимулировать разработку высокоэффективной лампы, которая придёт на смену 60-ваттной лампе накаливания. Организаторы поставили довольно строгие условия: новая лампочка должна обладать световой отдачей не менее 90 лм/вт, яркостью не менее 900 лм, цветовой температурой 2700-3000 К (то есть как у обычной лампы накаливания 60-100 Вт), коэффициентом цветопередачи более 90 (то есть очень хорошими качествами цветопередачи), потреблять не более 10 Ватт, вкручиваться в обычный патрон и, кроме всего прочего, должна иметь жизненный цикл не менее 25 тысяч часов.

Последний параметр особенно важный: многие производители ламп сознательно завышают максимальный срок службы своих лампочек, но опровергнуть эти данные обычно невозможно: для этого потребуется несколько лет проводить испытания. Организаторы L Prize подошли к этому вопросу серьёзно, и одним из условий участия в конкурсе было длительное испытание 200 образцов. Разумеется, полная проверка 25 тысяч часов работы заняла бы почти три года, поэтому проверка длилась всего 7 часов. Однако результаты позволяют с уверенностью 95% предсказать, что через 25 тысяч часов работы яркость ламп Philips будет составлять 99.3% от исходной (для прохождения конкурса требовалось всего 70%).

Стоит отметить, что именно необходимость предоставить 200 рабочих образцов, а так же весьма серьёзные остальные условия сильно ограничили число желающих принять участие в конкурсе. Точнее, желающий оказался всего один: компания Philips. Маленькие фирмы, даже если бы они и обладали ноу-хау, вряд ли смогли бы произвести 200 образцов без предварительного финансирования.

Кроме того, не менее 75% стоимости лампочки должны производиться в США, и там же должна осуществляться сборка. Philips выполнили все поставленные условия и получили обещанный приз — 10 миллионов долларов, а человечество получило достойную замену 60-ваттной лампочке. Вопрос вызывает только цена: в розницу лампочка-«призёр» стоит 60 долларов. Конечно, с учётом энергопотребления, такая лампочка не раз окупится за свой срок службы, но это всё равно слишком большое вложение для большинства потребителей. Предполагается, что в Соединённых Штатах часть расходов на такие лампочки будет покрываться вычетами из счетов за коммунальные службы, и цена для конечного потребителя опустится до 22 долларов.

За что же Министерство энергетики США заплатило 10 миллионов? Почему так важно наладить производство светодиодных лампочек, достойных стать конкурентами обычной лампе накаливания?

В первую очередь это экономичность. Выигравшая конкурс светодиодная лампа потребляет в 6 раз меньше электроэнергии, чем лампочка накаливания и в полтора-два раза меньше, чем флуоресцентная лампа. В отличие от популярных сейчас «энергосберегающих» (флуоресцентных) ламп, в светодиодных лампочках не используется ртуть, и им не требуется особая утилизация. Впрочем, и утилизировать их придётся нескоро — срок службы светодиодных ламп может достигать до 25 тысяч часов, против 8 тысяч часов у флуоресцентной и 1 тысячи у лампы накаливания. Светодиодные лампы моментально включаются — им не требуется времени на нагрев, как флуоресцентным. Кроме того, они выделяют мало инфракрасного и ультрафиолетового излучений, и не мерцают. Также светодиоды эффективно работают с диммерами, которые позволяют уменьшать свечение до 10%, и не перегорают, как лампочки накаливания — со временем они просто начинают хуже светить.

Впрочем, у светодиодных ламп есть и очевидные недостатки — кроме стоимости. В первую очередь — низкая предельная температура работы. При своём маленьком размере светодиоды выделяют тепла больше, чем могут рассеять. Это сильно ограничивает возможности производителей. Приходится либо ограничивать количество одновременно используемых в лампе светодиодов, либо использовать внешние охлаждающие элементы, что заметно увеличивает размер светодиодной лампы, и представляет сложность для её установки в обычный светильник.

Другой серьезной проблемой является так называемый LED droop, или сползание эффективности светодиода при повышении напряжения. При достижении определенной критической точки, электромагнитное поле внутри диода становится слишком сильным и приводит к «утечке» электронов — то есть энергоэффективность диода резко падает. Это ода из причин, почему до сих пор на рынке практически не представлены светодиодные эквиваленты 100-ваттной лампочки.

Возможное решение этой проблемы в начале мая 2012 года обнародовали учёные из университета Калифорнии. Вместо обычного нитрида галлия, который используется в большинстве светодиодов в качестве полупроводника, и вокруг которого и образуется то самое вредное электромагнитное поле, они использовали выращенный Mitsubishi Chemical Corporation субстрат, в котором кристаллы нитрида галлия расположены неким особым образом — каким, будет объявлено на конференции по лазерам и электро-оптике в Сан-Хосе — благодаря чему можно избавиться от нежелательного электромагнитного поля. Пока этот особый субстрат слишком дорог в производстве, однако именно от него зависит появление действительно эффективных светодиодных ламп.

Впрочем, всё та же компания Philips 7 мая заявила на конференции Light Fair о том, что её инженерами была разработана первая светодиодная лампа, эквивалентная 100-ваттной лампочке. Точные технические подробности пока неизвестны, но утверждается, что она производит 1700 лм, обладает световой отдачей 73.9 лм/вт (что несколько меньше, чем у лампочки-«призера») и потребляет 23 ватта. Вместе с уже активно продающимися лампочками AmbientLED на 12 и 17 ватт, а также с все возрастающим количеством производителей — например, в конце 2011 года на рынок вышла компания Samsung, один из крупнейших производителей электроники в мире — можно предполагать, что в ближайшее время светодиодные лампы будут становиться всё доступнее.

Россия тоже не стоит в стороне. Две петербургские фирмы, «Оптоган» и «Светлана» производят светодиодные лампы для российского рынка. Лампа «Оптолюкс-Е27» производства «Оптоган» потребляет 11 вт, обладает яркостью 720 лм и является аналогом 60-ваттной лампочки. Цена лампы от «Оптогана» — 999 рублей. Несколько дешевле стоят ламы SvetaLED от «Светланы»: 595 рублей за 6-ваттную и 745 за 8-ваттную. Световой поток 8-ваттной лампы несколько меньше, чем у лампы от «Оптоган» — 600 лм, что чуть меньше чем у 60-ваттной лампы накаливания.«Оптоган» привлекли внимание компании Philips — компании объявили о создании совместного предприятия по производству светодиодных ламп на территории России. Это значит, что предложение будет расти, а цены снижаться. 

К сожалению, не все комплектующие для лампочек возможно покупать в России, что сказывается на стоимости отечественных лампочек. Но даже отечественный рынок активно развивается, например, РЖД постепенно начинает использовать светодиоды как в семафорах, так и в освещении станций.

Новые научные разработки и инженерные решения, появившиеся в последний год, позволяют предположить, что светодиодное освещение ждет активный рост - причеим, в самое ближайшее время. И хотя для большинства потребителей стоимость лампочки в несколько десятков долларов все еще кажется слишком большой, их внедрение в общественных местах, в уличном освещении сможет не только способствовать развитию рынка и популяризации технологии, но и заметной экономии электроэнергии. С учётом постепенного введения запретов на лампочки накаливания и сложности утилизации флуоресцентных ламп, светодиодные лампы имеют все шансы стать основным бытовым источником света.