Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням

Using LED technologies to create a comfortable light environment for human life and work can help reduce electricity consumption while maintaining, and usually improving, the energy and spectral parameters of lighting systems. At the same time, LED lighting systems for residential and industrial bui...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2020
Автори:	Kolomzarov, Yuriy, Kostylyov, Vitaliy, Sorokin, Viktor, Nikolaenko, Yurii, Pekur, Demyd, Kornaga, Vasyl, Korkishko, Roman
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2020
Теми:	система освітлення сонячна енергетика світлова ефективність фотоперетворювачі сонячної енергії
Онлайн доступ:	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.03
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Technology and design in electronic equipment
Завантажити файл:

Репозитарії

Technology and design in electronic equipment

_version_	1867569669108400128
author	Kolomzarov, Yuriy Kostylyov, Vitaliy Sorokin, Viktor Nikolaenko, Yurii Pekur, Demyd Kornaga, Vasyl Korkishko, Roman
author_facet	Kolomzarov, Yuriy Kostylyov, Vitaliy Sorokin, Viktor Nikolaenko, Yurii Pekur, Demyd Kornaga, Vasyl Korkishko, Roman
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Yuriy Kolomzarov", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Vitaliy Kostylyov", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Viktor Sorokin", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Yurii Nikolaenko", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Demyd Pekur", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Vasyl Kornaga", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Roman Korkishko", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" } ]
author_sort	Kolomzarov, Yuriy
baseUrl_str	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-06-09T12:20:33Z
description	Using LED technologies to create a comfortable light environment for human life and work can help reduce electricity consumption while maintaining, and usually improving, the energy and spectral parameters of lighting systems. At the same time, LED lighting systems for residential and industrial buildings are usually powered by electricity generated mainly by thermal power plants. Such plants mostly use fossil fuels and their combustion leads to environmental pollution. The article proposes the concept of a lighting system, which allows improving the ecology by reducing the energy consumption of lighting systems through the use of renewable energy sources. The proposed operation algorithm of the system for power supply control of LED light sources allows selecting the most appropriate energy sources in real time, thus making it possible to increase the luminous efficiency of the lamp by at least 20% when using industrial element base. This design can help to move away from traditional energy storage systems (batteries), which significantly increases the service life of such systems, their reliability and environmental safety. Placing photovoltaic converters in close proximity to the consumer (on the roofs and facades of buildings) ensures a decrease in ohmic losses and creates favorable conditions for using solar energy to light residential and industrial premises with LED lamps, which can significantly increase the economic and energy efficiency of such systems.
doi_str_mv	10.15222/TKEA2020.5-6.03
first_indexed	2025-09-24T17:30:23Z
format	Article
fulltext	Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 3ISSN 2309-9992 (Online) 1 ТЕХНІЧНА ПОЛІТИКА УДК 628.931 К. т. н. Ю. В. КОЛОМЗАРОВ1, д. ф.-м. н. В. П. КОСТИЛЬОВ1, д. т. н. В. М. СОРОКІН1, д. т. н. Ю. Є. НІКОЛАЄНКО2, І. В. ПЕКУР1, к. т. н. В. І. КОРНАГА1, к. т. н. Р. М. КОРКІШКО1 Україна, м. Київ, 1Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, 2Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» E-mail: kolomzarov@yahoo.com, vsorokin@isp.kiev.ua, yunikola@ukr.net ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ОСВІТЛЕННЯ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ЗАСТОСУВАННЯ ЕНЕРГООЩАДНИХ СВІТЛОДІОДНИХ ОСВІТЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ З КОМБІНОВАНИМ ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯМ Світло є невіддільним елементом оточення люди- ни при будь-яких видах і умовах праці та відпочинку. Сучасні освітлювальні прилади зазвичай базуються на використанні світлодіодних технологій, які дозво- ляють створювати найбільш енергоефективні та еко- логічно чисті освітлювальні системи. Швидкі темпи розвитку світлодіодних техноло- гій, а також значне підвищення потужностей окре- мих світловипромінюючих пристроїв в останні роки значно розширили сфери їхнього застосування, од- нак більшість таких приладів не може надійно функ- ціонувати без забезпечення робочих теплових режи- мів використаних в них напівпровідникових струк- тур [1]. Забезпечення оптимальних теплових режи- мів роботи світлодіодів дозволяє реалізувати високі терміни їхньої служби, а також забезпечити стабіль- ні світлові та спектральні параметри. Через високі потужності сучасних світлодіодів та світлодіодних матриць (наприклад, світлодіодна ма- триця типу CLU04J-1818С9 з розмірами 28×28×1,4 мм японської компанії Сitizen Electronics Сo., Ltd має потужність 191,2 Вт [2]) розробка конструкцій сис- тем охолодження для них являє собою не стільки тех- нічну, скільки наукову задачу, вимагає використання сучасного аналітичного апарату, складного програм- ного забезпечення та знань в галузі матеріалознав- ства. Застосування таких підходів при розробці сис- тем охолодження потужних структур, що випромі- Запропоновано концепцію комбінованого електроживлення освітлювальної системи, яка дозволяє зменши- ти енергоспоживання від централізованої електромережі завдяки використанню фотоперетворювачів сонячної енергії, що підвищує світлову ефективність приладу принаймні на 20% при застосуванні лише про- мислово впровадженої елементної бази. Конструкція передбачає також відмову від акумуляторів, що значно збільшує термін її експлуатації, надійність та екологічну безпечність, а можливість розміщення фотоелек- тричних перетворювачів у безпосередній близькості від споживачів дозволяє зменшити омічні втрати й знач- но підвищити економічну та енергетичну ефективність таких систем. Ключові слова: система освітлення, сонячна енергетика, світлова ефективність, фотоперетворювачі сонячної енергії. нюють світло, дозволяє оптимізувати їхню конструк- цію і забезпечити максимально можливу енергетичну ефективність освітлювального приладу, а також дає можливість створювати конкурентоспроможні світ- лотехнічні вироби. В останні роки для забезпечення охолодження світлодіодів та світлодіодних матриць високої потужності використовуються енергоефек- тивні двофазні теплопередавальні пристрої — те- плові труби [3]. Що стосується живлення світлодіодних систем освітлення житлових та промислових будівель, то воно зазвичай здійснюється при використанні електроенер- гії, генерованої переважно тепловими електростанція- ми. За даними, наведеними на сайті Міжнародної енер- гетичної асоціації [4], на будівлі та будівельні сектори припадає понад третини глобального кінцевого спожи- вання енергії та майже 40% загальних прямих та не- прямих викидів CO2. Попит на енергію в будівлях та під час будівництва будинків продовжує зро стати, що зумовлено покращеним доступом до енергії в краї нах, що розвиваються, зростанням кількості енергоміст- ких пристроїв та швидким зростанням загальної пло- щі будівель. Викиди СО2 внаслідок генерації енергії, що споживають житлові та офісні будівлі, зросли за останні роки після стабілізації, яка спостерігалася у 2013 — 2016 рр. При цьому прямі та непрямі викиди CO2 зросли до 10 Гт у 2019 році, що є найвищим за- фіксованим рівнем. Цьому зростанню сприяло декіль- ка факторів, серед яких і наростаючий попит на енер- гію для опалення та охолодження за допомогою кон- диціонерів при екстремальних погодних явищах, для освітлення та побутової техніки. Величезний потенці- DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.03 __________ Автори висловлюють подяку Національному фон- ду досліджень України за підтримку роботи (проект № 2020.01/0216) Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–64 ISSN 2309-9992 (Online) 2 ТЕХНІЧНА ПОЛІТИКА ал зменшення викидів CO2 залишається невикориста- ним через подальше застосування викопного палива, відсутність ефективної політики енергоефективно сті та недостатні інвестиції в енергоефективні будівлі. За сучасними оцінками, понад 35% всієї енергії, яка споживається в будівлях, витрачається на освіт- лення, при цьому вона залежить від типу будівлі та галузі, і значна її частина — промислові споживачі, що потребують потужного освітлення, в тому чис- лі у денний час [5]. За прогнозом [6], енергетичні по- треби людства до середини XXI ст. більш ніж подво- яться, а до кінця XXI ст. — більш ніж потрояться, що пов’язано зі зростанням світової економіки в цілому (до 4 разів до 2050 р.), насамперед різким економіч- ним зро станням Китаю та Індії, населення яких ста- новить 2/3 від чисельності населення Землі, а також з помітним зро станням населення Землі — до 2050 року воно досягне 10—11 млрд людей. Інтенсивне зростання рівня світового споживання енергії, одер- жання якої головним чином базується на спалюван- ні викопних, не відтворюваних ресурсів та на атом- ній енергетиці, створило цілу низку складних еколо- гічних, технічних, соціальних, а останнім часом і еко- номічних проблем, які вимагають невідкладного вирі- шення вже зараз [6—10]. Отже, на початку XXI ст. перед світовою енерге- тикою постає проблема різкої зміни структури сукуп- ності джерел енергії. Тому останнім часом спостері- гається значне посилення інтересу до викори стання електроенергії, отриманої прямим перетворенням енергії Сонця в електричну за допомогою, зокрема, напівпровідникових фотоелектричних перетворю- вачів енергії. У цій роботі проведено аналіз можливостей побу- дови потужних енергоощадних світлодіодних освіт- лювальних систем з комбінованим електроживлен- ням та пошук найбільш ефективних методів для їх- ньої реалізації. Енергетичний потенціал генерації електроенергії відновлюваними джерелами на території України Покращити екологічний стан навколишнього серед- овища можна кількома шляхами, серед яких зменшен- ня енергоспоживання, зниження використання орга- нічних видів палива при розширенні застосування від- новлюваних джерел енергії. Попри те, що людство про- тягом тисяч років знає, як отримувати енергію з таких екологічно чистих джерел, як вода, вітер та Сонце, ши- роке розповсюдження використання такої енергії обме- жено низкою факторів. Розглянемо їх більш детально. Сьогодні найбільшу потужність вироблення елек- троенергії з енергії води мають великі гідроелектро- станції. Такі електростанції займають земельні ділян- ки великої площі та мають велику вартість, а крім того — їхнє розміщення жорстко прив’язане до ру- сел повноводних річок, тому більшість придатних для їхньої побудови місць в Україні вже зайнято. Крім того, будівництво гідроелектростанцій супроводжу- ється значними негативними впливами на природнє середовище. Це, наприклад, затоплення великих те- риторій для утворення великих запасів води, необ- хідних для стабільної роботи електростанцій при се- зонній зміні рівня води, неможливість проходження риби своїми природніми шляхами у весняний пері- од тощо. Гідроелектростанції, які можуть бути побу- довані на малих річках України з енергетичним по- тенціалом приблизно 3750 Мвт [11], потребують зна- чних початкових матеріальних витрат та мають ве- ликі терміни окупності. Вітрова енергетика, що також стрімко розви- вається в останні роки, особливо на території Європейських держав, також має свої мінуси, що ускладнюють її широке використання [12]. До таких недоліків можна віднести значні терміни окупності вітрогенераторів через їхню високу вартість, суттє- ве звукове забруднення середовища, що ускладнює експлуатацію поряд з місцями життя й роботи лю- дей, та необхідність постійного технічного догляду за ними. Сукупний вітроенергетичний потенціал те- риторії України складає до 5000 МВт, але для біль- шої частини території нашої країни він є низьким. Для систем освітлення більш доступним та пер- спективним, на наш погляд, є використання сонячної енергії, яку можна отримувати, зокрема, за допомо- гою напівпровідникових фотоелектричних перетво- рювачів. Напівпровідникова фотоенергетика остан- нім часом набула широкого застосування, причому темпи її зростання збільшуються. Зростання світово- го ринку сонячної фотоенергетики у 2017 р. до майже 100 ГВт у порівнянні з 77 ГВт роком раніше (тобто на 30%) вражає навіть експертів у цій галузі. Загальна потужність встановлених у світі фотоенергетичних електростанцій на кінець 2019 р. складала 635 ГВт, з них 132 ГВт — у Європі [13]. В середньому част- ка фотоелектричної генерації у світі складає 2,2% від споживаної електроенергії, в Європі — 3,9%, в Німеччині — 8,7%, а в Італії та Греції перевищує 7%. В Україні сонячні фотоелектростанції також ши- роко використовуються для отримання електричної енергії в промислових цілях, оскільки фотоенерге- тичний потенціал України достатньо високий і пере- вищує потенціал європейського лідера в галузі фото- енергетики — Німеччини (рис. 1). Проте не завжди таке використання є вигідним для держави з еконо- мічної точки зору. В Україні «зелений тариф», на відміну від Європи (де він взагалі відсутній або ма- лий), є великим і лягає важким тягарем на спожива- чів і часто викликає негативну реакцію у суспільстві. До складу значної кількості сонячних електро- станцій входять такі накопичувачі електричної енер- гії, як акумуляторні батареї [15]. Строк їхньої служ- би досить обмежений, а виробництво та утилізація є Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 5ISSN 2309-9992 (Online) 3 ТЕХНІЧНА ПОЛІТИКА шкідливими з погляду екології процесами. Існують сонячні фотоелектричні станції (СФЕС) без нако- пичувачів електроенергії (grid-connected) — вони всю надлишкову електроенергію віддають до мере- жі (рис. 2). Суттєвим недоліком при цьому є жорсткі- ші вимоги до інвертора такої системи: його вихідна напруга має бути синусоїдальною з малим рівнем гармонік. Крім того, при зменшенні вихідної напру- ги СФЕС нижче певного рівня інвертор має відклю- чати СФЕС від мережі. Все це значно підвищує вар- тість такої системи та збільшує термін її окупності. Водночас у сучасних містах існує значна кіль- кість об’єктів, придатних до розміщення сонячних панелей. Наприклад, значним потенціалом для роз- міщення сонячних батарей є дахи та фасади будівель, що наближає їх до споживачів виробленої електрич- ної енергії, розташованих в цих будівлях, і при цьо- му існують рішення, що не впливають на загальний дизайн будівель, а іноді й можуть навіть зробити їх більш сучасними. Слід зазначити, що технічно допу- стимий потенціал середньорічного виробництва со- нячної енергії лише з дахів житлового фонду України сьогодні становить до 4200 МВт [16]. Важливим фактором є те, що у містах зосеред- жено найбільші площі приміщень, що потребують безперервного штучного освітлення (в денний час включно), наприклад промислові виробничі цехи, торговельні зали, офісні, навчальні та інші примі- щення, що постійно потребують якісного освітлен- ня. Використання для цього можливостей екологіч- но чистої сонячної енергетики є значним, практич- но невикори станим до теперішнього часу потенцій- ним резервом економії електроенергії та покращен- ня екологічної ситуації у містах. За необхідності в освітленні у денний час мо жна побудувати системи з комбінованим живленням від електричної мережі та від фотоелектричних перетво- рювачів. Використання у системах освітлення світло- діодних технологій дозволяє відмовитися від еколо- гічно небезпечних речовин, на відміну від тих, що побудовані на основі люмінесцентних ламп денно- го світла, в яких застосовується ртуть. Сучасні нако- пичувачі електроенергії сконструйовано зазвичай на основі свинцево-кислотних або літієвих акумулято- рів, тобто — перші містять канцерогенний свинець, а виробництво других потребує отримання значної кілько сті літію, що пов’язано з суттєвими енергови- тратами та забрудненням довкілля. Відмова від аку- муляторів та безпосереднє використання виробленої сонячними панелями електроенергії зменшує наван- таження на електричні мережі як промислових під- приємств, так і загальних електромереж, спрощує конструкцію таких систем, зменшує їхню вартість та суттєво підвищує надійність. Останнє особливо важливо, враховуючи значні терміни служби сучас- них світлодіодів та фотоелектричних перетворювачів, які дозволяють створювати освітлювальні си стеми з терміном служби до сотні тисяч годин (понад 10 ро- ків при неперервному використанні), що додатко- во знижує потребу у виробництві таких приладів, а Рис. 1. Розподіл сонячних фотоенергетичних ресурсів в Україні (а) та в Німеччині (б) [14] а) б) Рис. 2. Блок-схема сонячної фотоелектричної станції без накопичувачів електроенергії СФЕС масив фотоелектричних перетворювачів Інвертор Мережа змінного струму Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–66 ISSN 2309-9992 (Online) 4 ТЕХНІЧНА ПОЛІТИКА отже, знижує негативний вплив на стан навколиш- нього середовища. Для оцінки енергетичного потенціалу таких си- стем, розміщених, наприклад, у Києві, можна скори- статися чисельними інтернет-ресурсами, які дозво- ляють розрахувати кількість сонячної енергії протя- гом року. За даними ресурсу [17], величина генера- ції електроенергії фотоперетворювачем суттєво змі- нюється протягом року, і через це необхідні не тіль- ки надмірні генеруючі потужності (фотоелектричні перетворювачі), а й накопичувальні пристрої (акуму- лятори), що значно підвищує вартість таких си стем. В той самий час, світлодіодні освітлювальні при- лади з комбінованим живленням — і від фотоелек- тричних перетворювачів, в яких не передбачено ви- користання акумуляторів, і від загальної електроме- режі в умовах відсутності фотогенерації — можуть бути найефективнішими у використанні фотогенеру- ючих потужностей. Для ефективного використання генерованої енергії доцільним є використання освітлювальних систем з най- більш можливою світловою ефективністю. При цьому найбільш відчутний економічний та екологічний ефект досягається у випадку застосування окремих освітлю- вальних систем з комбінованим живленням, реалізова- ним за схемою «освітлювальний прилад — система ге- нерації», потужністю 200—500 Вт. Для світлодіодних освітлювальних приладів такий рівень потужності від- повідає значенням світлових потоків 20—50 тис. лм, що добре корелює з потребами промислових спожи- вачів освітлення. При побудові світлодіодних систем освітлення, особливо для промислового використання, перева- ги надаються пасивним системам охолодження, при цьому використання двофазних пристроїв тепловід- ведення для потужних джерел світла дозволяє змен- шити масо-габаритні розміри їхньої системи охоло- дження [18—20] та забезпечити потрібні теплові ре- жими роботи напівпровідникових кристалів, що зна- чно збільшує терміни служби. Для оцінки економічного ефекту від використання подібної системи можна розглянути світлодіодне дже- рело світла потужністю 250 Вт, яке дозволяє замінити люмінесцентну лампу потужністю 500 Вт. При його експлуатації протягом 12 годин щоденно економія елек- троенергії за рік складатиме 250×12×365 = 1,1 МВт·год. Крім того, при використанні додатково трьох соняч- них панелей потужністю 100 Вт кожна з загальною площею 2,1 м2 у стандартному виконанні (без меха- нічних систем слідкування за Сонцем та концентра- торів сонячного світла) за рік можна додатково отри- мати 360 кВт·год електроенергії. При цьому буде спостерігатися синергетичний ефект завдяки вико- ристанню енергоефективних світлодіодних освіт- лювальних приладів та додаткової генерації енергії. Таким чином, загальна економія електроенер- гії завдяки використанню світлодіодного світиль- ника та трьох сонячних панелей може складати 1,46 МВт·год. Загальна економія витрат на електро- енергію для освітлення за ціни 2,13 грн за 1 кВт·год [21] складає 3100 грн за рік при використанні лише однієї подібної світлодіодної освітлювальної систе- ми з комбінованим електроживленням. Крім іншого, беззаперечною перевагою викори- стання світлодіодних джерел світла в таких освітлю- вальних системах є можливість швидко змінювати дже- рело живлення при збереженні сталого світлового пото- ку та без значних змін у режимах роботи, проте ефектив- на реалізація таких процесів потребує створення нових типів систем освітлення та їхнього електроживлення. Підхід до розроблення систем освітлення з комбінованим електроживленням При створенні світлодіодних систем освітлення з комбінованим електроживленням необхідно вирі- шити низку важливих науково-технічних задач щодо розроблення загальної концепції та основних скла- дових частин такої системи. До складу освітлювальної системи з зазначеним функціоналом мають входити принаймні такі модулі: світлодіодний освітлювальний прилад з світлодіод- ним модулем (СДМ), фотоелектричний перетворювач (ФЕП), електронні схеми керування світлодіо дами з живленням від загальної мережі та від фотоелектрич- Рис. 3. Структурна схема освітлювальної системи з СДМ та комбінованим електроживленням: 1 — система охолодження СДМ; 2 — сонячна батарея з ФЕП; 3, 4 — електронні схеми керування СДМ з живленням від по- бутової електричної мережі та від сонячної батареї з ФЕП від- повідно; 5 — теплова труба; 6 — ребра охолодження; 7 — СДМ високої потужності; 8, 9 — відповідно вхідний та вихідний каскади електронної схеми керування 3, що живиться від по- бутової електричної мережі; 10 — каскад контролю струму та напруги; 11 — каскад узгодження потужностей електрон них схем керування 3 та 4; 12 — вихідний каскад електронної схе- ми керування 4, що живиться від сонячної батареї; 13 — вимі- рювач миттєвої потужності сонячної батареї; 14 — іоні сторний накопичувач генерованої енергії 220 В 1 11 12 10 98 7 6 5 4 3 214 13 6 Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 7ISSN 2309-9992 (Online) 5 ТЕХНІЧНА ПОЛІТИКА них перетворювачів. Більш детально структура такої системи показана на рис. 3. Особливості роботи такої комбінованої системи освітлення полягають у наступному. За відсутності достатньої генерації електроенергії від відновлюва- них джерел, наприклад при роботі системи в нічний час, живлення світлодіодів забезпечується від загаль- ної електричної мережі, а при достатньому рівні гене- рації система повністю переходить на живлення від відновлюваних джерел. При генеруванні енергії со- нячною батареєю на рівні, вищому за потрібний для освітлювальної системи, надлишкова енергія збері- гається для подальшого використання у накопичувачі невеликої ємності, побудованому на іоністорних еле- ментах, з високим терміном експлуатації. В процесі роботи системи електронні схеми керування обира- ють за визначеним алгоритмом найбільш енерго- ефективний тип живлення — електромережа, сонячні елементи чи накопичена енергія. Перемикання дже- рел живлення відбувається настільки швидко, що цей момент не можна визначити візуально. Очевидно, що впровадження таких освітлювальних систем потре- бує розроблення та створення спеціалізованих елек- тронних схем керування, які узгоджують всю робо- ту та збалансовують потужності. Передбачається, що фотоелектричний перетворю- вач не містить у своїй конструкції механічних си стем слідкування за Сонцем, а закріплюється в оптималь- ному положенні. І хоча це забезпечує функціонуван- ня системи на рівні приблизно 80% від максималь- но можливої генерованої протягом року потужно сті, проте виключає необхідність її обслуговування. Крім цього слід зазначити, що для збереження потрібно- го рівня генерації впродовж принаймні 10 років не- обхідно застосувати фотоелектричний перетворю- вач сонячної батареї, номінальна потужність якого на 20% вища за номінальну потужність використа- них світлодіодних джерел світла. Використання в системі охолодження двофазних пристроїв тепловідведення (теплових труб) нара- зі вважається оптимальним способом забезпечення необхідного теплового режиму потужних світлоді- одних джерел світла, що підвищує ефективність пе- ретворення електричної енергії у світлову та надій- ність роботи освітлювальної системи. Висновки Проведений аналіз свідчить про перспективність використання комбінованого живлення від фотоелек- тричних перетворювачів та від загальної мережі для побудови енергоефективних світлодіодних си стем освітлення. Запропонований алгоритм роботи си стем керування живленням, за яким у режимі реального часу здійснюється вибір найбільш доцільного дже- рела енергії, дозволяє підвищити світлову ефектив- ність освітлювального приладу принаймні на 20% з використанням лише промислово впровадженої еле- ментної бази. За розрахунками, лише одна подібна система потужністю 250 Вт може заощадити до 2 тис. кВт·год електроенергії на рік. В Україні ж що- річно вводиться в експлуатацію понад 1 млн м2 про- мислових приміщень, що потребують якісного освіт- лення, і якщо навіть у незначній частині з них вико- ристовувати потужні світлодіодні системи з комбі- нованим електроживленням, це може становити де- сятки тисяч таких освітлювальних приладів на рік з відповідним економічним ефектом. При цьому най- вищий економічний та екологічний ефект матимуть освітлювальні системи високої (100—200 Вт) та над- високої (понад 200 Вт) потужності, призначених для освітлення приміщень великої площі: об’єктів про- мисловості, приміщень заводів, ангарів для техні- ки, зерно-овочесховищ, теплиць, приміщень торгі- вельних центрів, спортивних залів, офісів відкрито- го типу, об’єктів спеціального призначення та інших приміщень великих розмірів. Використання сонячної енергії для живлення по- тужних світлодіодних освітлювальних приладів до- зволить при широкому впровадженні таких систем в промисловості значно знизити споживання електро- енергії з централізованої електромережі, а значить, скоротити використання органічних видів палива на виробництво електроенергії та зменшити кількість шкідливих викидів в атмосферу. До того ж відмова від традиційних накопичувачів електроенергії (акумуля- торів) в конструкціях освітлювальних систем з ком- бінованим електроживленням значно збільшує їхній термін експлуатації, надійність та вплив на екологію. Розміщення фотоелектричних перетворювачів в безпосередній близькості від споживачів — на да- хах і фасадах будівель, а також безпосереднє вико- ристання генерованої енергії зменшує омічні втра- ти й підвищує економічну та енергетичну ефектив- ність таких систем. ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА 1. Lishik S. I., Posedko V. S., Trofi mov Yu. V., Tsvirko V. I. Current state, trends and prospectives of the development of light emitting diode technology. Light & Engineering, 2017, vol. 25, iss. 2, pp.13–24. 2. CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. http://ce.citizen. co.jp/l ighting_led/dl_data/datasheet/en/COB_8/CLU04J- 1818C9_0355P_201906_202007.pdf (дата звернення: 28.10.2020) 3. Zohuri B. Heat pipe design and technology: modern applications for practical thermal management. Cham, Springer International Publishing, 2016, 537 p. 4. Buildings a source of enormous untapped effi ciency potential. https://www.iea.org/topics/buildings/ (дата звернення: 28.10.2020) 5. Schneider Electric. Каталог решений по защите и контр- олю нагрузок. https://www.electrocentr.com.ua/fi les/documentation/ SE/cb/acti9/Acti9_solutions_ru.pdf (дата звернення: 28.10.2020) 6. World energy scenarios: composing energy futures to 2050. World Energy Council, 2013, 288 p. 7. Perspectives on the grand energy transition/world energy council. Issues Monitor, 2018, 126 p. 8. World energy resources. https://en.wikipedia.org/wiki/World_ energy_resources (дата звернення Last accessed: 28.10.2020) 9. World energy resources. World Energy Council, 2016. 1028 p. Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–68 ISSN 2309-9992 (Online) 6 ТЕХНІЧНА ПОЛІТИКА 10. Костильов В.П., Саченко А.В. Напівпровідникова фо- тоенергетика: сучасний стан і актуальні напрями досліджень. Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, 2018, вип. 53, с. 13–37. 11. Власюк Ю.С., Стефанишин Д.В. Про проблеми та пер- спективи малої гідроенергетики в Україні. Математичне моде- лювання в економіці, 2018, № 1, с. 126–138. 12. GLOBAL Wind Energy Outlook. 2016. https://www. researchgate.net/publication/311774623_Global_Wind_Energy_ Outlook_2016 (дата звернення Last accessed: 28.10.2020) 13. Solar power Europe. https://www.solarpowereurope.org/ national-energy-and-climate-plans-a-solar-powered-energy-system- by-2030/ (дата звернення: 28.10.2020) 14. Solar resource maps. https://solargis.com/maps-and-gis-data/ (дата звернення: 28.10.2020) 15. Енергоефективність та енергозбереження: економічний, техніко-технологічний та екологічний аспекти : колективна мо- нографія. За заг. ред. П. М. Макаренка, О. В. Калініченка, В. І. Аранчій. Полтава, ПП “Астрая”, 2019, 603 с. 16. Возняк О. Т., Янів М. Є. Енергетичний потенціал сонячної енергетики та перспективи його використання в Україні. Вісник Національного університету «Львівська політехніка», 2010, № 664: Теорія і практика будівництва, с. 7–10. 17. On-line калькулятор солнечной, ветровой и тепловой энергии. https://www.helios-house.ru/on-line-kalkulyator.html (дата звернення: 28.10.2020) 18. Pekur D.V., Nikolaenko Yu.E., Sorokin V.M. Optimization of the cooling system design for a compact high-power LED luminaire. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2020, vol. 23, no. 1, p. 91–101. 19. Pekur D.V., Sorokin V.M., Nikolaenko Yu.E. Thermal characteristics of a compact LED luminaire with a cooling system based on heat pipes. Thermal Science and Engineering Progress, 2020, vol. 18, art. no. 100549. 20. Пекур Д.В., Сорокін В.М., Ніколаєнко Ю. Є. Експе- риментальне дослідження компактної системи охолодження з те- пловими трубами для потужної світлодіодної матриці. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, №3–4, с. 35–41. https://doi.org/10.15222/TKEA2020.3-4.35 21. ДТЕК Київські електромережі. https://www.dtek-kem.com. ua/ua/services-tariff s/ (дата звернення: 28.10.2020) Дата надходження рукопису до редакції 23.11 2020 р. К. т. н. Ю. В. КОЛОМЗАРОВ1, д. ф.-м. н. В. П. КОСТЫЛЁВ1, д. т. н. В. М. СОРОКИН1, д. т. н. Ю. Е. НИКОЛАЕНКО2, И. В. ПЕКУР1, к. т. н. В. И. КОРНАГА1, к. т. н. Р. М. КОРКИШКО1 Украина, г. Киев, 1Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарёва НАН Украины, 2Национальний технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского» E-mail: kolomzarov@yahoo.com, vsorokin@isp.kiev.ua, yunikola@ukr.net ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СВЕТОДИОДНЫХ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ Использование светодиодных технологий для создания комфортной световой среды для жизни и труда человека по- зволяет уменьшить потребление электроэнергии при сохранении, а зачастую и улучшении, энергетических и спек- тральных параметров осветительных систем. В то же время питание светодиодных систем освещения жилых и промышленных зданий обычно осуществляется за счет использования электроэнергии, генерируемой в основном те- пловыми электростанциями, которые для обеспечения своей работы используют преимущественно органические виды топлива, а их сжигание приводит к загрязнению окружающей среды. В работе предложена концепция осветительной системы, в которой позитивное влияние на экологическое состояние окружающей среды достигается уменьшением энергопотребления осветительных систем за счет использования возобновляемых источников энергии. Алгоритм работы системы управления питанием светодиодного источника света позволяет сделать рациональный выбор источника энергии в режиме реального времени, что повышает све- товую эффективность светильника по крайней мере на 20% при использовании промышленно внедренной элемент- ной базы. Кроме этого, предложенная схема питания предусматривает отказ от традиционных накопителей элек- троэнергии (аккумуляторов), что значительно увеличивает сроки эксплуатации таких систем, их надежность и эко- логическую безопасность, а размещение фотоэлектрических преобразователей в непосредственной близости к по- требителю — на крышах и фасадах зданий позволяет уменьшить омические потери и создает благоприятные усло- вия для использования солнечной энергии для освещения помещений с помощью светодиодных светильников. Все это позволяет значительно повысить экономическую и энергетическую эффективность таких систем. Ключевые слова: системы освещения, солнечная энергетика, световая эффективность, фотопреобразователи сол- нечной энергии. DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.03 УДК 628.931 Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 9ISSN 2309-9992 (Online) 7 ТЕХНІЧНА ПОЛІТИКА Yu. V. KOLOMZAROV1, V. P. KOSTILOV1, V. M. SOROKIN1, Yu. E. NIKOLAENKO2 , I. V. PEKUR1, V. I. KORNAGA1, R. M. KORKISHKO1 Ukraine, 1V. E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine, 2National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” E-mail: kolomzarov@yahoo.com, vsorokin@isp.kiev.ua, yunikola@ukr.net ENVIRONMENTAL ISSUES OF LIGHTING AND PROSPECTS OF ENERGY-SAVING LED LIGHTING SYSTEMS WITH COMBINED POWER SUPPLY Using LED technologies to create a comfortable light environment for human life and work can help reduce electricity consumption while maintaining, and usually improving, the energy and spectral parameters of lighting systems. At the same time, LED lighting systems for residential and industrial buildings are usually powered by electricity generated mainly by thermal power plants. Such plants mostly use fossil fuels and their combustion leads to environmental pollution. The article proposes the concept of a lighting system, which allows improving the ecology by reducing the energy consumption of lighting systems through the use of renewable energy sources. The proposed operation algorithm of the system for power supply control of LED light sources allows selecting the most appropriate energy sources in real time, thus making it possible to increase the luminous effi ciency of the lamp by at least 20% when using industrial element base. This design can help to move away from traditional energy storage systems (batteries), which signifi cantly increases the service life of such systems, their reliability and environmental safety. Placing photovoltaic converters in close proximity to the consumer (on the roofs and facades of buildings) ensures a decrease in ohmic losses and creates favorable conditions for using solar energy to light residential and industrial premises with LED lamps, which can signifi cantly increase the economic and energy effi ciency of such systems. Keywords: lighting systems, solar energy, light effi ciency, photoconverters of solar energy. DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.03 UDC 628.931 REFERENCES 1. Lishik S. I., Posedko V. S., Trofi mov Yu. V., Tsvirko V. I. Current state, trends and prospectives of the development of Light Emitting Diode technology. Light & Engineering, 2017, vol. 25, iss. 2, pp.13–24. 2. CITIZEN ELECTRONICS CO., LTD. http://ce.citizen. co.jp/l ighting_led/dl_data/datasheet/en/COB_8/CLU04J- 1818C9_0355P_201906_202007.pdf (accessed date: 28.10.2020) 3. Zohuri B. Heat pipe design and technology: modern applica- tions for practical thermal management. Cham, Springer International Publishing, 2016, 537 p. 4. Buildings A source of enormous untapped effi ciency potential. https://www.iea.org/topics/buildings/ (accessed date: 28.10.2020) 5. Schneider Electric. [Load protection and control solutions catalog]. https://www.electrocentr.com.ua/fi les/documentation/SE/ cb/acti9/Acti9_solutions_ru.pdf (accessed date: 28.10.2020) (Rus) 6. World Energy Scenarios: Composing energy futures to 2050. World Energy Council, 2013, 288 p. 7. Perspectives on the Grand Energy Transition/World Energy Council. Issues Monitor, 2018, 126 p. 8. World Energy Resources. https://en.wikipedia.org/wiki/ World_energy_resources (accessed date: 28.10.2020) 9. World Energy Resources. World Energy Council, 2016. 1028 p. 10. Kostylyov V.P., Sachenko A.V. Semiconductor photovoltaics: сurrent state and actual directions of research. Optoelectronics and Semiconductor Technique, 2018, vol. 53, pp. 13–37. (Ukr) 11. Vlasyuk YU.S., Stefanyshyn D.V. [On the problems and pros- pects of small hydropower in Ukraine]. Matematychne modelyuvannya v ekonomitsi, 2018, no. 1, pp. 126–138. (Ukr) 12. GLOBAL Wind Energy Outlook. 2016. https://www. researchgate.net/publication/311774623_Global_Wind_Energy_ Outlook_2016 (accessed date: 28.10.2020) 13. SolarPower Europe. https://www.solarpowereurope.org/ national-energy-and-climate-plans-a-solar-powered-energy-system- by-2030/ (accessed date: 28.10.2020) 14. Solar Resource Maps. https://solargis.com/maps-and-gis-data/ (accessed date: 28.10.2020) 15. Makarenko P. M., Kalinichenko O. V., Aranchiy V. I. (Eds.) Enerhoefektyvnistʹ ta enerhozberezhennya: ekonomichnyy, tekhniko- tekhnolohichnyy ta ekolohichnyy aspekty : kolektyvna monohrafi ya [Energy effi ciency and energy saving: economic, technical-techno- logical and ecological aspects: collective monograph]. Poltava, PE “Astraya”, 2019, 603 p. (Ukr) 16. Voznyak O. T., Yaniv M. Ye. [Energy potential of solar energy and prospects for its use in Ukraine]. Bulletin of Lviv Polytechnic National University. Series Theory and Building Practice, 2010, no. 664, pp. 7–10. (Ukr) 17. [On-line solar, wind and heat energy calculator]. https://www. helios-house.ru/on-line-kalkulyator.html (accessed date: 28.10.2020) (Ukr) 18. Pekur D.V., Nikolaenko Yu.E., Sorokin V.M. Optimization of the cooling system design for a compact high-power LED luminaire. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2020, vol. 23, no. 1, p. 91–101. 19. Pekur D.V., Sorokin V.M., Nikolaenko Yu.E. Thermal char- acteristics of a compact LED luminaire with a cooling system based on heat pipes. Thermal Science and Engineering Progress, 2020, vol. 18, art. no. 100549. 20. Pekur D. V., Sorokin V. M., Nikolaenko Yu. E. Experimental study of a compact cooling system with heat pipes for powerful LED ma- trices. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2020, no. 3-4, pp. 35-41. https://doi.org/10.15222/TKEA2020.3-4.35 (Ukr) 21. DTEK. Kyivsky Elektromerezhi. https://www.dtek-kem.com. ua/ua/services-tariff s/ (accessed date: 28.10.2020) Опис статті для цитування: Коломзаров Ю. В., Костильов В.П. , Сорокін В. М., Ніколаєнко Ю. Є., Пекур І. В., Корнага В. І., Коркішко Р. М. Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоо- щадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням. Техно логия и конструи рование в электрон- ной аппаратуре, 2020, № 5–6, с. 3–9. http://dx.doi.org/10.15222/ TKEA2020.5-6.03 Cite the article as: Kolomzarov Yu. V., Kostilov V. P., Sorokin V. M., Nikolaenko Yu. E., Kornaga V. I., Korkishko R. M., Pekur I. V. Environmental issues of lighting and prospects of energy-saving LED lighting systems with combined power supply. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2020, no. 5–6, pp. 3–9. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2020.5-6.03
id	oai:tkea.com.ua:article-89
institution	Technology and design in electronic equipment
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-06-10T01:00:27Z
publishDate	2020
publisher	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
record_format	ojs
resource_txt_mv	wwwtkeacomua/85/23ac0489672c3f79a3fb0c56409cf385.pdf
spelling	oai:tkea.com.ua:article-892026-06-09T12:20:33Z Environmental issues of lighting and prospects of energysaving LED lighting systems with combined power supply Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням Kolomzarov, Yuriy Kostylyov, Vitaliy Sorokin, Viktor Nikolaenko, Yurii Pekur, Demyd Kornaga, Vasyl Korkishko, Roman lighting systems solar energy light efficiency photoconverters of solar energy система освітлення сонячна енергетика світлова ефективність фотоперетворювачі сонячної енергії Using LED technologies to create a comfortable light environment for human life and work can help reduce electricity consumption while maintaining, and usually improving, the energy and spectral parameters of lighting systems. At the same time, LED lighting systems for residential and industrial buildings are usually powered by electricity generated mainly by thermal power plants. Such plants mostly use fossil fuels and their combustion leads to environmental pollution. The article proposes the concept of a lighting system, which allows improving the ecology by reducing the energy consumption of lighting systems through the use of renewable energy sources. The proposed operation algorithm of the system for power supply control of LED light sources allows selecting the most appropriate energy sources in real time, thus making it possible to increase the luminous efficiency of the lamp by at least 20% when using industrial element base. This design can help to move away from traditional energy storage systems (batteries), which significantly increases the service life of such systems, their reliability and environmental safety. Placing photovoltaic converters in close proximity to the consumer (on the roofs and facades of buildings) ensures a decrease in ohmic losses and creates favorable conditions for using solar energy to light residential and industrial premises with LED lamps, which can significantly increase the economic and energy efficiency of such systems. Запропоновано концепцію комбінованого електроживлення освітлювальної системи, яка дозволяє зменшити енергоспоживання від централізованої електромережі завдяки використанню фотоперетворювачів сонячної енергії, що підвищує світлову ефективність приладу принаймні на 20% при застосуванні лише промислово впровадженої елементної бази. Конструкція передбачає також відмову від акумуляторів, що значно збільшує термін її експлуатації, надійність та екологічну безпечність, а можливість розміщення фотоелектричних перетворювачів у безпосередній близькості від споживачів дозволяє зменшити омічні втрати й значно підвищити економічну та енергетичну ефективність таких систем. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2020-12-27 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.03 10.15222/TKEA2020.5-6.03 Technology and design in electronic equipment; No. 5–6 (2020): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 3-9 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 5–6 (2020): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 3-9 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2020.5-6 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.03/82 Copyright (c) 2020 Yuriy Kolomzarov, Vitaliy Kostylyov, Viktor Sorokin, Yurii Nikolaenko, Demyd Pekur, Vasyl Kornaga, Roman Korkishko http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
spellingShingle	система освітлення сонячна енергетика світлова ефективність фотоперетворювачі сонячної енергії Kolomzarov, Yuriy Kostylyov, Vitaliy Sorokin, Viktor Nikolaenko, Yurii Pekur, Demyd Kornaga, Vasyl Korkishko, Roman Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title	Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_alt	Environmental issues of lighting and prospects of energysaving LED lighting systems with combined power supply
title_full	Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_fullStr	Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_full_unstemmed	Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_short	Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_sort	екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
topic	система освітлення сонячна енергетика світлова ефективність фотоперетворювачі сонячної енергії
topic_facet	lighting systems solar energy light efficiency photoconverters of solar energy система освітлення сонячна енергетика світлова ефективність фотоперетворювачі сонячної енергії
url	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.03
work_keys_str_mv	AT kolomzarovyuriy environmentalissuesoflightingandprospectsofenergysavingledlightingsystemswithcombinedpowersupply AT kostylyovvitaliy environmentalissuesoflightingandprospectsofenergysavingledlightingsystemswithcombinedpowersupply AT sorokinviktor environmentalissuesoflightingandprospectsofenergysavingledlightingsystemswithcombinedpowersupply AT nikolaenkoyurii environmentalissuesoflightingandprospectsofenergysavingledlightingsystemswithcombinedpowersupply AT pekurdemyd environmentalissuesoflightingandprospectsofenergysavingledlightingsystemswithcombinedpowersupply AT kornagavasyl environmentalissuesoflightingandprospectsofenergysavingledlightingsystemswithcombinedpowersupply AT korkishkoroman environmentalissuesoflightingandprospectsofenergysavingledlightingsystemswithcombinedpowersupply AT kolomzarovyuriy ekologíčníproblemiosvítlennâtaperspektivizastosuvannâenergooŝadnihsvítlodíodnihosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm AT kostylyovvitaliy ekologíčníproblemiosvítlennâtaperspektivizastosuvannâenergooŝadnihsvítlodíodnihosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm AT sorokinviktor ekologíčníproblemiosvítlennâtaperspektivizastosuvannâenergooŝadnihsvítlodíodnihosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm AT nikolaenkoyurii ekologíčníproblemiosvítlennâtaperspektivizastosuvannâenergooŝadnihsvítlodíodnihosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm AT pekurdemyd ekologíčníproblemiosvítlennâtaperspektivizastosuvannâenergooŝadnihsvítlodíodnihosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm AT kornagavasyl ekologíčníproblemiosvítlennâtaperspektivizastosuvannâenergooŝadnihsvítlodíodnihosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm AT korkishkoroman ekologíčníproblemiosvítlennâtaperspektivizastosuvannâenergooŝadnihsvítlodíodnihosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm

Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосування енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з комбінованим електроживленням

Репозитарії

Схожі ресурси