Организация производства, осветительных приборов и

Организация производства осветительных
приборов и устройств на основе использования
полупроводниковых светодиодов в Республике
Казахстан.

В целях энергосбережения, улучшения экологической ситуации
планеты, повышения энергетической эффективности экономики, во всем
мире ускоренными темпами идёт процесс замены ламп накаливания и
постепенного перехода на более эффективные источники излучения света на
основе передовых полупроводниковых технологий.
Последние годы 20-го века ознаменовались революционными
изменениями в технологиях освещения. Твердотельные «холодные»
источники света, или светодиоды ( LED- «светоизлучающий диод»), на основе
передовых полупроводниковых технологий, уже прочно заняли свое место
в секторе монохромного освещения.
 Нашли свое широкое применение не только в
быту, но и в специзделиях, например,
автомобильных тормозных фонарях, светофорах,
табло обратного отсчета, дорожных знаках,
вывесках и прочих указателях. А в начале 21-го
века они уже изготовлены в форме «лампочек
Ильича» и начинают достойно конкурировать с
компактными люминесцентными лампами КЛЛ
и другими типами осветительных источников.
Изучение нововведений в этой области
становится год от года все актуальнее.

Последние
достижения
базовой
полупроводниковой технологии позволяют
светодиодам в скором времени составить
серьезную конкуренцию существующим
источникам белого света. Вдобавок к
долговечности
и
низкому энергопотреблению, они обладают
целым
рядом
преимуществ
перед
существующими на сегодняшний день и
широко
используемыми
источниками
света.
Небольшие размеры делают спектр их применения необычайно
широким. Несколько светодиодов, объединенных в одну форму,
способны заменить обычную лампу накаливания: расположенные по
прямой, они могут освещать большие площади по периметру и т.д.
Причем потенциал КПД по выработке света на единицу расходуемой
мощности (лм/Вт) может улучшаться практически до 90%. Как
источники света для наружного и декоративного освещения, они
обладают рядом уникальных достоинств, среди которых точная
направленность света и
возможность управления цветом и
интенсивностью излучения.
Эволюция светодиодов– от индикаторов до источников света
В 1993 году японская корпорация Nichia объявила
об
открытии
высокоэффективного
материала
голубого цвета – нитрида галлия (GaN). Это означало,
что теперь светодиоды освоили практически весь
видимый цветовой спектр. Это существенно
расширяло области их применения и делало
возможным
создание
белого
света
путем
комбинирования красных, зеленых и голубых
светодиодов.
Для того, чтобы осуществить прорыв на рынок общего освещения,
требующего от источников световой поток порядка 1000 лм и выше,
необходимо
добиться
дополнительного
увеличения
световой
эффективности зеленых, и, особенно, синих светодиодов.
Успешное продолжение в мире исследовательских работ
по повышению эффективности светодиодов говорит о том, что светоотдача
полупроводников вырастет еще в несколько раз.
По данным американских исследований 90-х годов конца
20-го века, через пару десятилетий даже в 2010году превысит светоотдачу
люминесцентных ламп более чем в 2 раза. Такой оптимистический прогноз
американских исследователей базировался на примере красных
светодиодов, чья эффективность еще в конце 80-х была лишь 5 лм/Вт, а в
90-е годы достигла 75 лм/Вт.
Специалисты утверждали, что когда эффективность белых
светодиодов достигнет уровня 50 лм/Вт, светодиоды уже могут
считаться реальной заменой ламп накаливания и галогенных ламп.
В декабре 2006 года корпорация Nichia анонсировала новые
светодиоды белого свечения с достигнутой эффективностью
светоотдачи 150 лм/Вт.
В 2009 году Gree (США) объявило о производстве мощных
светодиодов с достигнутой эффективностью светоотдачи 200 лм/Вт.
Филипс проводит успешные лабораторные испытания
синих ламп с КПД 72%. Не сложно подсчитать, что речь идет
об эффективности светоотдачи более 400 лм/Вт.
Теперь нет сомнения в том, светодиоды в ближайшие
годы заполнят рынок общего освещения и будут реальной
заменой ламп накаливания и люминесцентных ламп. Ниже
представлено сравнение существующей и прогнозируемой
эффективности различных видов освещения, выполненные
исследователями и экспертами из США. Надо отдать
должное качеству этого прогноза. Именно в первом
десятилетии 21 века Япония, Голландия, Германия, Китай,
Корея, Тайвань и другие страны своими достижениями в
области
повышения
эффективности
светодиодов
подтвердили наступление эры твердотельных источников
освещения.
Сравнительный анализ источников света
Существуют
три
основных
вида
электрических источников света – лампы
накаливания,
газоразрядные лампы и
светодиоды (LED), среди которых главное
место пока занимают люминесцентные
лампы.
В быту традиционно наиболее распространены лампы накаливания,
в которых свет испускает металлическая проволочка (нить), раскаленная
добела проходящим по ней током. В бытовых осветительных приборах
применяются лампы накаливания мощностью от 15 до 300 Вт,
рассчитанные на напряжение 220В/50 или 60Гц. Срок службы ламп
накаливания любого назначения около 750 - 1000 часов, при условии, что
напряжение в электрической сети не превосходит указанного на лампе.
Если же напряжение в сети в силу каких-то причин является повышенным
или время от времени повышается даже на короткие промежутки времени,
лампа может быстро выйти из строя. С учетом этих обстоятельств,
промышленность выпускает, наряду с обычными, также лампы,
рассчитанные на повышенное напряжение. Его величина тоже указывается
на колбе лампы, например, 235—245В.
Увеличение световой эффективности существующих ресурсов
освещения позволит производить необходимое количество света,
уменьшая при этом потребность в электроэнергии.
Типичная бытовая лампа накаливания (общего назначения) состоит из
следующих частей: нити накала в виде спирали из вольфрамовой
проволочки, стеклянного баллона, который откачивается и заполняется
инертным газом, а также цоколя, являющегося объединяющей и силовой
деталью лампы.
Цоколь имеет
контакты для
подключения нити
накала к
электропитанию.
Средний выход
светового потока с 1 Вт
затрачиваемой
электроэнергии
составляет для ЛН ОН
около10лм/Вт.
Лампа накаливания общего назначения (ЛН ОН)
Люминесцентные лампы
Люминесцентные лампы применяются для освещения общественных и
производственных помещений, таких, как медицинские, образовательные
учреждения, вокзалы, учреждения, цеха и т.д. Люминесцентные лампы
состоят из следующих основных деталей: стеклянного баллона, двух цоколей
(с выводными контактами) на обоих концах баллона, а также двух
подогревных катодов (электронных эмиттеров) из вольфрамовой нити или
стальной трубки. Баллон наполнен парами ртути (натрия) и инертным газом
(аргоном). На внутренние стенки баллона нанесено люминофорное
покрытие, преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в
видимый свет. Лампа действует нижеследующим образом.
Электрод на одном из концов лампы испускает электроны, которые с
большой скоростью летят вдоль лампы, пока не произойдет столкновение со
встретившимся атомом ртути. При этом они выбивают электроны атома ртути
на более высокую орбиту. Когда выбитый электрон возвращается на прежнюю
орбиту, атом испускает ультрафиолетовое излучение (УФИ). УФИ, проходя через
люминофор, преобразуется в видимый свет. То есть имеет место достаточно
сложный и несколько этапный физический цикл, имеющий существенные
недостатки и прямой угрозы для окружающей среды и для здоровья человека.
Наряду с такими достоинства люминесцентных ламп как высокая световая
отдача по сравнению с ЛНОН (до 120 лм/Вт; в 4-5 раз эффективнее ЛНОН), при
средней годовой долговечности, имеется ряд недостатков. А именно:
Светодиод (LED)
Светодиод (LED) - это полупроводниковый прибор на основе p-n перехода.
Его принцип работы основан на явлении электролюминесценции-холодного
свечения возникающего при протекании тока. Состав материалов,
образующих p-n переход определяет тип излучения.
К преимуществам светодиодов можно отнести:
• низкое энергопотребление – не более 10% от потребления
при использовании ламп накаливания (сейчас уже в 20 раз
эффективнее ЛН (Gree – 200 лм/Вт));
• малое тепловыделение и низкое питающее напряжение
(гарантирует высокий уровень безопасности);
• отсутствие стеклянной колбы (определяет очень высокую
механическую прочность, надежность и вибрационную
устойчивость);
• отсутствие разогрева или высоких пусковых напряжений при
включении;
• безинерционность включения/выключения (реакция менее
100нс);
• не требуется преобразователь постоянного/переменного тока;
долгий срок службы – до 100 000 часов;
• чистота и разнообразие цветов, направленность излучения
абсолютный контроль (регулировка яркости и цвета в полном
динамическом диапазоне);
• встроенное светораспределение;
• компактность и удобство в установке;
• отсутствие ультрафиолетового и иных вредных для здоровья
излучения;
• экологическая и противопожарная безопасность (не
содержат в своем составе ртути и прочих вредных активных
компонент и не нагреваются до температур горения).
К недостаткам светодиодов можно
отнести лишь их относительную
более высокую стоимость по
сравнению с другими источниками
освещения на начальном этапе
производства и соответственно пока
ещё отсутствием широкого спроса, в
силу новизны.
Однако , очевидно, что вышеуказанные технологические,
экологические, эксплуатационные и прочие достоинства LED с лихвой
оправдывают вложенные затраты из-за многократного понижения затрат
потребляемой энергии при одновременном бесконечном росте цен на
энергоносители. Уже сейчас выгоднее массовое использование
светодиодных источников энергии в энергетике и в экономике
товаропроизводства, а также в индустриально-бытовой сферах. В
конечном итоге изначально высокие продажные цены в течение 3-5 лет
станут приемлемыми и выгодными для массового покупателя.
Из приведенных выше табличных данных заключаем, что светодиоды за
счет низкого расхода финансовых средств, в течение периода эксплуатации,
длительного жизненного цикла, высокой яркости, отсутствия инфракрасного и
УФ излучений, являются лидерами в рейтинге прочих источников освещения.
Целесообразность поэтапного производства осветительных приборов
на основе светодиодов (LED) в Республике Казахстан.
В декабре 2006 года корпорация Nichia (Япония)
анонсировала новые светодиоды белого свечения с
достигнутой эффективностью светоотдачи 150 лм/Вт, а Gree
(США) – 200 лм/Вт . Это выше показателя самых лучших
люминесцентных натриевых ламп высокого давления с
эффективностью светоотдачи 132 лм/Вт. То есть светодиодные
лампы стали в 2 с лишним раза эффективнее самых лучших
газоразрядных ртутных и натриевых ламп. И это не предел.
Дальнейшие поиски новых полупроводниковых материалов
для увеличения эффективности приведут в ближайшие годы к
светоотдаче 500-800лм/Вт. По данным «РОСНАНО», сегодня
на энергосберегающие лампы приходится 42% мирового
рынка. Доля светодиодных ламп (LED и OLED) пока скромна –
всего 6%. Но, согласно расчету аналитиков, рынок
светодиодных источников света стремительно растет и
увеличивается в среднем на 52% в год. Поэтому к 2015 году
разрыв сократится: светодиодные лампы займут 28%,
люминесцентные - 43%. То есть общая доля
энергосберегающих ламп на мировом рынке составит 71%. В
2011 году мировой светодиодный рынок вырастет до 9
млрд.долл. США.
Завидная
скорость, учитывая, что в 2007 году мировой светодиодный рынок оценивался в
4,2 млрд.долл. США. Как отмечалось, пока более широкому распространению
светодиодов мешают следующие факторы: малая мощность и высокая цена.
Первая проблема уже решена в Японии, Корее, Китае, где налажено производство
светодиодов высокой единичной мощности. Эксперты прогнозируют, что будет
снижение цены на светодиоды в течение 3-5 лет. Тайвань тоже выщел в 2010 году
на производство LED высокой мощности. Поэтому реально ожидание в короткие
сроки падения цены на светодиодные источники света высокой мощности.
Это означает, что LED догнали и превзошли по показателям
люминесцентные системы. Оптимистический прогноз американских экспертов и
исследователей о том, что светодиоды превзойдут по эффективности
люминесцентные лампы в первом десятилетии 21 века, подтвердился.
Еще один пример стремительного наступления на рынок светодиодных ламп
как осветительных приборов для промышленности, торговли и коммунальных
хозяйств. По данным CNews в 2008 году компания Albeo Technologies из г. БоулдерСити в США, производитель светотехнических устройств, сообщила о начале
производства готовых модулей из LED,
предназначенных для замены люминесцентных ламп. Новая
линейка получила название «Созвездие». Технология,
используемая этой компанией, дает перспективы полного
вытеснения с рынка люминесцентных ламп. Новые
светодиодные лампы дают световые потоки в 20000 люмен.
Рекорд люминесцентных ламп 40 тыс. люмен. Albeo
Technologies утверждает, что уже есть решение, которое дает
возможность превысить и этот рекордный для
люминесцентных ламп показатель.
Но и нынешняя линейка продуктов компании при сопоставлении
параметров эффективности освещения оказывается более привлекательной,
чем люминесцентные лампы. Albeo Technologies особо подчеркивает, что их
продукции надежны и не представляют угрозы для окружающей среды. Кроме
того значительно снижаются расходы на замену и обслуживание источников
света.
Поэтому уже сейчас выгоднее вкладываться в производство и реализацию
светодиодных ламп (LED), а не в производство, например, КЛЛ. Соседняя Россия
в результате объективного анализа перспективы рынка ламп намеревается
сделать несколько заводов по производству светодиодов и светодиодных
светильников, в том числе полного цикла. Следуя примеру Европы, в соседней
России с января 2011 года будут запрещены производство и продажа ламп
накаливания мощностью более 100Вт, а со временем от ламп накаливания
откажутся вовсе.
В Казахстане на сегодня вопрос энергосбережения выходит в разряд
главных приоритетов. В Парламенте РК находится законопроект «Об
энергосбережении», подготовленный Министерством энергетики и
минеральных ресурсов РК. Основные его положения – утверждение
нормативов энергопотребления, установление прав и обязанностей
потребителей и производителей электроэнергии, установление
норм административной ответственности за неисполнение норм
законодательства. Проект закона предусматривает также
обязательное энергетическое обследование энергетических
помещений и устройств, запрет на строительство новых объектов,
уровень энергоэффективности которых превышает нормативный,
введение реестра объектов, подлежащих мониторингу на предмет
энергосбережения, регламентацию контрольных и надзорных
функций госорганов.
При этом собственных производств экономичных
ламп у Казахстана пока нет. В мире основным
производителем экономичных ламп является Китай.
Уже сейчас китайское производство энергосберегающих
ламп выросло до 3 миллиардов штук в год, что
составляет 80% мирового производства. Из них 2
миллиарда штук уходит на экспорт. Здесь речь идет в
основном о производстве люминесцентных ламп. И в
этой огромной массе ламп верх начинают брать так
называемые компактные люминесцентные лампы
(КЛЛ), которые пришли на рынок непосредственно для
замены цокольных «лампочек Ильича».
Поэтому, в Казахстане на начальном этапе выгоднее организовать завод
неполного цикла производства: сборку различных осветительных приборов
промышленного, жилищно-коммунального и коммерческого назначения на
основе использования закупленных за границей светодиодов. Можно выгодно
использовать геополитическое положение страны- соседство Китая,
потенциал Тайваня, других азиатских государств, где есть недорогие
комплектующие для организации производства по сборке. Да и Россия
запускает в 2010 году завод по производству мощных светодиодов (70%
планируется на экспорт). Но качество выпускаемой продукции этого
производства уже отстает от лучших диодов США и Японии.
На казахстанских производственных площадках реальные шансы
имеют производства неполного цикла. В принципе не менее перспективным
является закуп, например, немецкого оборудования фирмы LAYTEC по
наращиванию светодиодов, покупать патент на наращивание пленок и
организовывать производство полного цикла. Но это приведет к
существенному удорожанию стоимости продукции и проекта.
Armstrong в монтажном
состоянии
Базовая отечественная модель с 11тью
светодиодами с защитным плафоном
Предварительная маркетинговая оценка отечественного рынка ламп
и объема производства.
Для оценки отечественного рынка ламп и организации производства (реализации)
в Казахстане использованы данные по России. В частности в 2008 году в России было
продано около 1 млрд. ламп примерно на 220-230 млн. евро, из которых лишь 40 млн.
ламп – энергосберегающие.
В самой России произведено порядка 2 млн. ламп на основе LED . Почти все
остальное произведено в Китае, а также продукция ведущих известных компаний: Gree,
OSRAM, GE, Philips и прочее. Если Россия захочет потреблять энергосберегающие
лампы только собственного производства, то по расчетам Philips для полного перехода
страны на энергосберегающие лампы необходимо будет построить более 60 заводов по
годовому производству общей стоимостью около 1,3 млрд. долл. США. В Казахстане
примерно такая же ситуация, с меньшим удельным показателем, при этом лампового
производства нет. Реальный объем возможных продаж LED оценивается порядка 10%
от объема продаж LED в России.

Так казахстанский рынок потребил в 2008 году около 4 млн. энергосберегающих
ламп. И в основном – люминесцентные лампы. На мировом рынке доля светодиодных
ламп пока в целом невелика и составляет лишь 6%. Как выше было показано,
положительным является то, что мировой рынок производства и потребления LED
увеличивается в среднем на 52% в год. Это говорит о стремительном наступлении эры
LED! По мнению российских исследователей, целесообразнее налаживать производство
светодиодов (СИД или LED) и продукции на основе LED. Мощность нового
производства в Казахстане должна быть ориентирована на рост потребления LED.
На начальном этапе, в Республике Казахстан должно быть
организовано отвёрточное производство по сборке различных типов
осветительных приборов (уличные лампы, светофоры, прожекторы, табло
обратного отсчета, другие светильники и лампы) на основе закупаемых
светодиодов с производственной мощностью более 100 тыс. осветительных
приборов в год.
Кроме того, необходимо определить рынок потребления по
специзделиям: светофорам, уличным фонарям, промышленным
светильникам, декоративным украшениям зданий, площадей, улиц и т.д.
По предварительным данным завод должен быть ориентирован на
ассортимент и объем продукции стоимостью около 6-10 млн. долл.
США/год. Ожидаемая рентабельность производства колеблется в пределах
50-100%. Стоимость затрат на организацию производства и торговли
зависит от поставленных компанией целей, в том числе от полноты цикла
производства и от мероприятий по продвижению товара на рынок
Казахстана и СНГ, и колеблется от 1-5 до 20 млн. долл. США. Завод должен
быть спланирован с резервом расширения производства не менее 0,5 млн.
светильных приборов на основе светодиодов и люминесцентных ламп
промышленного, коммерческого и другого назначения. Рынок сбыта
продукции: Казахстан (до 70%), Россия, Киргизия, другие страны СНГ. В
дальнейшем можно закупить технологию наращивания и изготовления
светодиодов высокой мощности и переходить к более полному циклу
производства.