Главная/ Статьи/ ГИГИЕНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Статьи

ГИГИЕНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Мартиросова В.Г.1, Назаренко В.И.1, Сорокин В.М.2, Галинский А.Д.3

1ГУ «Институт медицины труда АМН Украины», г.Киев
2Институт физики полупроводников НАН Украины, г. Киев
3НПП «АЭРОПЛАСТ», г.Киев

Рассматриваются гигиенические аспекты применения светодиодных (СД) источников света в системах промышленного освещения на производственных предприятиях Украины. Показываются перспективы светодиодногоосвещения в различных странах и государственная поддержка разработок энергосберегающего освещения. Данаоценка эффективности светодиодного освещения и приводится сравнительный анализ параметров и характеристик ламп накаливания, компактных люминесцентных и светодиодных ламп. Проанализированы мощные светодиоды белого свечения и способы получения белого света. Проанализированы светотехнические, физические и гигиенические преимущества и недостатки светодиодных систем промышленного освещения. Оценены новые подходы к нормированию светодиодных систем и световой среды на производственных предприятиях Украины.
Ключевые слова: светодиоды, СД, освещение, гигиенические аспекты, стандартизация

Введение

Современные принципы и методы производственного освещения сложились за последние 100 лет и основывались на применении, в основном,ламп накаливания. Основным недостатком этихосветительных приборов является то, что только 4–7 % используемой электроэнергии, преобразовывается в свет, а остальная трансформируется втепло и другие виды излучения. Во второй половине XX века получили свое развитие люминесцентные лампы. В таких источниках света ультрафиолетовое излучение газового разряда в парах ртутивозбуждает люминофор, состав которого подбирают, таким образом, чтоб обеспечить излучение взаданной спектральной области видимого диапазона. В этом классе осветительных устройствособый интерес представляют компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), которые в 2,5–4 разаэнергетически эффективнее, чем лампы накаливания. Однако, они являются вакуумными приборами, содержат ртуть в составе газовой смеси, требуют сложных пускорегулирующих устройств длязапуска и поддержания стабильного газового разряда, имеют сравнительно невысокий срок службы (до 10–15 тысяч часов). Достижения физики и оптоэлектроники за последние 10–15 лет позволили создать источники света с энергетической эффективностью в 5–10 разбольшей ламп накаливания. К таким источникамсвета относятся твердотельные светодиоды (СД) [1]. Предположения 15–20 лет назад о возможности создания светодиодного освещения казались фантастическими [2, 3, 4, 5]. Однако бурное развитие технологии полупроводниковых приборов, иособенно нанотехнологий, привело к такому колоссальному развитию этой отрасли, что XXI век уженазывают веком твердотельного освещения. Внедрение таких источников света позволит создатьпринципиально новую технологию экологическичистого и высокоэффективного освещения. Большинство высокоразвитых стран (США,Япония, Германия, Китай, Россия) интенсивно занимаются изучением физических процессов излучения в светодиодных структурах, разработкой оригинальных конструкций светодиодов, совершенствованием технологий их производства, а также расширением сфер их использования. Наиболее весомые результаты достигнуты благодаря современным успехам нанотехнологий, поэтому этонаправление считается стратегической технологией XXI века [6]. Поскольку в настоящее время по комплексу физических, эргономических, эксплуатационных параметров альтернативы светодиодным источникам освещения нет, а все прогнозы свидетельствуют обыстром внедрении светодиодного освещения в производственных и бытовых помещениях, возникает необходимость оценки светодиодных источников света с точки зрения гигиенических аспектов перспективы их применения в системах производственного освещения.

Экологическая значимость и государственная поддержка разработок энергосберегающего освещения

Светоизлучающий диод представляет собой полупроводниковый элемент с излучающим pn переходом в гетероструктуре. Первые СД появились в 1962 году, квазихроматические с красным, оранжевым и зеленым свечением. Белые СД были изготовлены спустя 20 лет, в 1991 году после разработки СД со спектром свечения в области 400–500 нм (синие). Работы по совершенствованию СД, в первуюочередь белого свечения, активно ведутся и поддерживаются решениями государственных комиссий и промышленных ассоциаций различных страни регионов, заинтересованных в переходе к болееэффективным и экологически безопасным средствам освещения. При этом одной из существенных целей такой политики является сокращение выбросов в атмосферу СО2, (при выработке электроэнергии тепловыми электростанциями) и, соответственно, уменьшение угрозы глобального потепления и экологических катастроф.Появившиеся в последние годы во многих странах законы, запрещающие использование ламп накаливания, подтверждают огромное значение политики энергосбережения. Например, с 2012 годав Евросоюзе будет полностью запрещена продажаобычных ламп накаливания, согласно решению,принятому министрами энергетики ЕС. Уже с1 сентября 2009 года будет запрещена продажалампочек мощностью 100 Вт, в следующем годутакая же участь постигнет 75 Вт лампы, в 2011 году настанет очередь ламп в 60 Вт, и к сентябрю2012 года будут запрещены даже самые слабые –40 Вт и 25 Вт лампы. Учитывая короткий срокслужбы ламп накаливания, к 2015 году ЕС полностью избавится от таких ламп. С помощью энергосберегающих ламп, в странах ЕС экономия электроэнергии составит 5–10 млрд. евро в год. Жители Евросоюза перейдут на энергосберегающие источники освещения, такие как люминесцентные и светодиодные лампы. Новые источники света стоятдороже, чем лампы накаливания, но потребляютменьше электроэнергии и служат дольше. Однакопри постоянном росте цен на электроэнергию сроки окупаемости энергосберегающих ламп постоянно снижаются. В Австралии лампы накаливания будут выведены из употребления к 2010 году, что позволит к2012 году сократить выбросы парниковых газов ватмосферу на 4 млн. тонн.Власти Новой Зеландии приняли закон, запрещающий продажи ламп накаливания с октября 2009 года. Такая мера позволит значительно сократить выбросы углекислого газа и сэкономить к2020 году около 500 млн. долларов на производствеэлектроэнергии. Этот закон был принят в рамкахгосударственной стратегии эффективного освещения (Efficient Lighting Strategy), которая предусматривает снижение потребляемой электроэнергии к 2015 году на 20 %.В конце декабря 2007 года президент СШАДжордж Буш подписал закон о замене традиционных ламп накаливания энергосберегающими. Вчастности, документ предусматривает сокращение потребления электроэнергии лампами на 30 % втечение 7 лет. При этом предполагается, что лампы мощностью 100 Вт выйдут из употребления к 2012 году, 75 Вт – к 2013 году, а к 2014 году прекратится использование 60 Вт и 40 Вт ламп. Великобритания с 1 января 2009 г. отказывается от ламп накаливания 75 Вт, 100 Вт и 150 Вт. Привычные всем осветительные приборы перестаютпоступать в продажу, а на смену им за несколько летпридут люминесцентные и светодиодные. По оценкам британских экспертов ожидается до 8 млрд. долларов ежегодной экономии. Уже объявлено, чтоспециальные правительственные уполномоченные будут ходить по магазинам и даже квартирам, проверяя, какие лампочки продаются и какими пользуются британцы. В случае выявления привычных сегодня лампочек, они будут изыматься.

Государственная политика энергосбереженияв Украине

Проблема экономии электроэнергии в Украине является общегосударственной проблемой, решениекоторой существенно влияет на макроэкономические показатели в целом. Поэтому 9 июня 2008 года Кабинетом Министров Украины была утверждена Государственная целевая научнотехническая программа «Разработка и внедрение энергосберегающих светодиодных источников света и осветительных систем на их основе» на 2009–2013 годы. Государственным заказчиком программы определена Национальная академия наук Украины. Органомуправления Программой назначен Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарева НАН Украины. Исполнителями проектов программы являютсянаучные учреждения НАН Украины, предприятия Министерства промышленной политики Украины, Министерства образования и науки Украины, предприятия малого и среднего бизнеса, технологические парки Украины.В связи с принятием Программы, создание отечественного производства светодиодной техникистанет вполне осуществимым проектом. Выполнение Программы позволит организовать в Украинесовременное производство высокоэффективных энергосберегающих светодиодных источников света и осветительных систем. Программой запланирована возможность значительного расширения финансирования научного поиска в одном из самых перспективных научных направлений нашего века. Для государства это принесет еще и ощутимую экономию энергоресурсов, даст значительный экологический эффект.

Сравнительная характеристика традиционноприменяемых ламп и СД

Оценка эффективности светодиодного освещения может быть проведена на основе сравнительного анализа параметров и характеристик ламп накаливания, компактных люминесцентных ламп и светодиодных ламп. При этом особо важными параметрами перечисленных приборов являются энергетическая эффективность (Лм/Вт), срок службы, потребляемая мощность, колориметрические параметры (индекс цветопередачи), а также стоимость единицы излучаемого светового потока (люмена), от которой зависит стоимость осветительного устройства в целом. В таблице 1 приведен сравнительный анализ параметров перечисленных осветительных приборов и показана перспектива улучшения параметров светодиодных осветительных устройствна ближайшее десятилетие. Заметим, что для ламп накаливания и компактных люминесцентных лам пуже достигнуты максимальные значения энергетической эффективности, и ожидать в ближайшем десятилетии существенного улучшения параметровтаких осветительных приборов нет физических оснований. В тоже время светодиоды, по мнению экспертов, приблизились только к 10 % использования своих потенциальных возможностей.

Мощные светодиоды белого свечения – основа твердотельного освещения

Белый свет представляет собой смесь различных длин электромагнитных волн видимой глазом частиспектра (от 400 до 770 нм). Существуют два основных способа получения белого излучения светодиода. Первый – смешивание излучений от размещенных на одной подложке красного (R), зеленого (G)и синего (B) светодиодов. Комбинации яркостей красного, зеленого и синего светодиодов позволяют реализовать около 16 млн. цветовых оттенков, включая и все оттенки белого. К сожалению, из-за хроматической аберрации оптических систем, формирующих световые потоки, суммарное излучениев центре и по краям такого составного светодиода неодинаково по цвету. Кроме этого, в связи с неравномерным отводом тепла на подложке, отдельные излучающие кристаллы нагреваются поразному. В итоге, их излучение в процессе деградации неодинаково изменяется и, как следствие, цветовая температура и цвет в ходе эксплуатации «плывут». Стабилизировать цветовые параметры такого источника света можно лишь достаточно дорогими электронными методами.

В настоящее время, мощные RGBсветодиодыэффективно используются в многоцветных табло, вдисплеях, в рекламе, для подсветки архитектурныхсооружений или ландшафта. Такими светодиодамиможно управлять с помощью микропроцессоров исоздавать различные цветовые эффекты.Качество белого света, определяемое индексомцветопередачи, в составных светодиодах может быть повышено путем добавления на общую подложку кристаллов, излучение которых «заполняет» желтую область спектра. Таким образом, делают светодиоды RGBW (красный, зеленый, синий,белый). Такие светодиоды применяются для «здорового» освещения, устраняющего некоторые физиологические и психологические эффекты, а также в театральном и кино освещении. Второй способ создания светодиодов с белым свечением заключается в преобразовании голубого, синего или ближнего ультрафиолетового излучения в белое благодаря широкополосным люминофорам. Люминофоры представляют собой фотолюминесцентные композиции, способные преобразовывать излучение с короткими длинами волн (например, синее излучение) в излучение с болеедлинными (желтое или комбинацию зеленого икрасного излучений). В результате излучение синего светодиода смешивается с излучением от люминофора, образуя белый свет, оттенок которого зависит от соотношения мощностей составляющихего излучений (синий плюс желтый) и задается технологически в процессе производства. Такие светодиоды значительно дешевле RGB светодиодов. По данным компании Intermatix сегодня в 51 % белых СД для средств освещения используются люминофоры на базе алюмоиттриевого граната (АИГ) фирмы Nichia, в 20 % – АИГ люминофоры других фирм, еще в 20 % – люминофоры на основе алюмотербиевого граната (АТГ), лицензируемого у компании Osram. В оставшихся 9 % применяются желтозеленые люминофоры на основе силиката с длиной волны свечения в зависимости отвыбранной комбинации двухвалентных металлов ипримеси галогена в диапазоне 500–575 нм. Характеристики белых светодиодов, выпускаемых большим числом компаний, за последнее время существенно улучшились, а их параметры стали удовлетворять требованиям твердотельного освещения. Параметры наиболее перспективных моделей современных светодиодов представлены в таблице 2. Интересны новые светодиоды, предложенные компанией Luminus Devices, по технологии Phlat Light (СД на основе фотонной решетки –Photonic lattice). Работа этих СД основана на управлении распространением фотонов вблизи решетки прозрачного диэлектрического материала спериодически изменяющимся показателем преломления при сопоставимых значениях длины волны фотонов и периода решетки. Для светодиодов видимого излучения размеры фотонной решетки составляют несколько сотен нанометров, и она должна изготавливаться методами нанотехнологии.Эти светодиоды рассчитаны на рассеиваемуюмощность от 20 до 90 Вт, выполняются на одном кристалле большой площади (от~ 4 до 14 мм2) и работают при плотностях тока от 350 до 2500 мА/мм2. Тепловое сопротивление СД с рассеиваемой мощностью 100 Вт не превышает 0,6 °С/Вт. Эти светодиоды начали серийно выпускаться сноября 2008 года. Из рассмотренных характеристик становится ясным, что достигнутые параметры СД ведущих светотехнических компаний превзошли ожидаемые результаты.

Таблица 1

Характеристики осветительных приборов разной физической природы

Характеристики осветительных приборов разной физической природы

Гигиенические аспекты применения светодиодов для производственного освещения

1. Главным преимуществом твердотельного светодиодного освещения является отсутствие паров ртути в технологии производства СД. Это позволяет уйти от так и не решенной проблемы утилизации люминесцентных ламп, а теперь и КЛЛ, и перейти к экологически чистому освещению.

2. Другим важным с гигиенической точки зрения параметром белого света является коэффициент цветопередачи Ra (CRI – color rendering index). Он отражает степень соответстви яцвета предмета с цветом эталонного источника. Для определения значения Ra, при помощи 14 указанных в DIN 6169 стандартных эталонных цветов, фиксируется изменение цвета, которое наблюдается при освещении тестируемым и эталонным источником. Показатель цветопередачи Ra = 100 показывает, что свет совпадает по цвету с эталонным источником света. Разные модели СД белого света обеспечивают высокий уровень цветопередачи (Ra от 65 до93), что позволяет рекомендовать их как основу осветительных систем для полиграфической, химико-фармацевтической, пищевой, легкой промышленности и других отраслей производства, где цветопередача является решающим фактором, определяющим качество продукции.

3. Системы СД освещения могут работать в большом температурном диапазоне (от 40 °С до+40 °С), применяться в условиях помещений идля наружного освещения. При этом нужно принимать во внимание, что для нормальной работы температура излучающего кристалла светодиода не должна превышать 80–140 °С. Отбор тепла в светодиодных лампах производится пассивными или активными (при необходимости) радиаторами. При этом тепловыделение светодиода несравнимо меньше, чем у ламп накаливания.

4. В условиях взрыво и пожароопасных производств системы СД освещения позволяют повысить безопасность, поскольку используют низкое рабочее напряжение (3 – 12В), однако необходимо учитывать, что рабочий ток достаточно высок (достигает нескольких ампер в системах освещения), поэтому требуются дополнительные меры по искрозащите.

5. Очень важным свойством светодиодов является их совместимость с элементной базой современной микроэлектроники, что значительно упрощает создание автоматизированных систем управления сетями освещения и осветительной аппаратурой, а также гарантирует отсутствие мерцания и других видов неравномерности светового потока и, как следствие, безопасность от возникновения стробоскопического эффекта в условиях производства.

6. Использование систем СД освещения позволяет значительно уменьшить расходы на обслуживание электросетей и оборудования за счет большей надежности и большего срока эксплуатации новых источников света, что позволяетих применять на производствах с затрудненным доступом к осветительному оборудованию (высокие цеха, вредное производство и т. д.)

7. Светодиодные системы могут использовать электронное управление, позволяющее осуществить динамическое освещение производственных помещений с учетом сменности работы, циркадных ритмов, времени года. Это особенно важно для людей, работающих в помещениях без естественного освещения, в условиях посменного (суточного) графика работы. Такое управление системами СД освещения дает возможность улучшать функциональное состояние зрительного и общего состояния организма, трудоспособность работающих, предупредить сезонные и суточные физиологические нарушения и расстройства.

8. Учитывая возможности управления систем СД освещения по яркости, цветовой температуре, направленности излучения, можно разрабатывать новые подходы к системам и способам освещения рабочих мест для профессий с высоким зрительным и умственным напряжением. Например, можно обеспечить диффузную и равномерную световую среду на рабочих местах только за счет одного общего освещения, что более гигиенично для функционирования зрительного аппарата человека и обеспечения психофизиологического комфорта, и что представляется невозможным при использовании комбинированного освещения (общее плюс местное).

9. Преимуществом при использовании систем СД освещения является отсутствие в излучаемом спектре УФ и ИК составляющих, что определяется технологией изготовления и используемыми материалами. Однако, важным предостережением при использовании таких систем является недостаточная изученность влияния компонентов светодиодного излучения на глаз человека с точки зрения безопасности. Предостережение вызывает большая точечная яркость и, так называемая, «синяяопасность». При этом, следует отметить, что твердотельные источники света в настоящее время не являются совершенными, требуют глубокого изучения, и с гигиенической точки зрения имеют ряд негативных характеристик, которые необходимо учитывать и устранять по мере совершенствования их технологий и применения. Так, светоизлучающая поверхность высокоинтенсивных светодиодов составляетот 0,5 мм2 до 14 мм2, что, с одной стороны, обеспечивает возможность формирования светового потока с определенной диаграммой направленности, а с другой стороны, высокая яркость точечного излучателя приводит к прямой «блесткости» и «слепимости» глаза. Такое предупреждение об опасности для глаз при прямом рассматривании СД встречается в документации фирмы CREE. Этот недостаток устраним с помощью создания светящих панелей, крепящихся на стенах и потолках и создающих диффузный и отраженный свет. Другим более серьезным недостатком является то, что светодиодные световые устройства освещения показали превышение порога «опасности синего света» для категории группы риска RG1, как определено в стандарте ANSI/IESNARP27.307 «Рекомендуемая практика для фотобиологической безопасности ламп, группы риска. Классификация и маркировка» . Фирма OrbOptronix, проводившая исследования на соответствие этому стандарту, выяснила, что некоторые системы светодиодного освещения существенно превышают пределы, оговоренные в стандарте ANSI. Эти изделия относятся к категории RG2, которая предупреждает о недопустимости прямого наблюдения таких источников освещения человеческим глазом. Стандарт RP27 описывает «синий свет как фотобиологическую опасность», вызывающую расстройства в сетчатой оболочке глаза в диапазоне 400–500 нм, что совпадает с данными исследований. По всей вероятности, это связано с тем, что в некоторых странах, изделия, содержащие светодиоды, стандартизовали в соответствии состандартом IEC 608251, предназначенным для лазеров, а не СД. Сейчас стандарт IEC 608251 заменен международным IEC 62471 именно для СД, который и обеспечивает методы оценки риска использования СД, классифицируя их по группамриска (то есть, например, RG1, RG2, RG3) и является стандартом «совместного действия» с CIES009 – стандартом фотобиологической безопасности ламп и ламповых систем.

Таблица 2

Сравнительные характеристики светодиодов разных фирм, используемых в системах освещения

Сравнительные характеристики светодиодов разных фирм, используемых в системах освещения

Заключение

Таким образом гигиеническая и светотехническая оценка параметров, характеристик, а также положительных и отрицательных сторон светодиодных источников света, показывает, что применение их в системах освещения на промышленных предприятиях Украины с учетом высокой эффективности СД и экологической чистоты будет задачей недалекого будущего. При этом важно учитывать, что из-за быстрого развития и совершенствования СД изделий, прогресс в этой области, к сожалению, значительно опередит проведение медико-биологических и гигиенических исследований. Нужно отметить очевидную необходимость разработки с гигиенических позиций методов оценки испособов освещения рабочих мест и производственных помещений, технологии управления такими системами, учитывающих воздействие светана основные физиологические функции человека (ЦНС, сердечнососудистая, зрительная и др.). Необходима разработка новых методических подходов к структуре физиологического нормирования освещения рабочих мест и производственных помещений предприятий Украины. В настоящее время в Институте медицины труда АМН Украины разрабатывается новый метод по созданию и оценке оптимальной световой среды иобеспечения психофизиологического комфорта для работающих. Применение СД систем освещениязначительно облегчит эту задачу.