Освітлення промислових підприємств на базі LED технологій

Історично склалося так, що Україна стала одним з найпотужніших промислових центрів Європи. У нашій державі зосереджені майже всі види промислових підприємств. Ми можемо пишатися підприємствами легкої, харчової, машинобудівної, гірничодобувної промисловості та потужним металургійним комплексом. Розвинені та є стратегічно важливими підприємства оборонного комплексу, газо-, нафтотранспортувальні системи. Для забезпечення усіх цих об’єктів працює багато електростанцій, що генерують мільйони кВт електроенергії. Очевидно, що всі ці галузі промисловості мають гігантські території, які мають бути освітлені відповідно до чинних норм.

Більшість промислових підприємств України побудовано десятки років тому, та, у більшості випадків, з моменту запуску систему освітлення не модернізували (картина типового «страшного» освітлення цеху наведено на рис. 1).

По-перше, тому що не було чим модернізувати (газорозрядна технологія була безальтернативною та досить ефективною). Максимум, на що виділялися кошти, це на заміну ламп та пускорегулювальної апаратури (ПРА). А якщо й замінювали світильники, то на аналогічні (натрієві або металогалогенні). Цей тип світлотехнічного обладнання хоча й не повністю задовольняв потреби підприємств, проте альтернативи не було.

По-друге, ціна електроенергії була стабільною і досить низькою та не було необхідності шукати енергоефективніші альтернативи, що зменшують електроспоживання.

З появою світлодіодних технологій, а також через постійне суттєве підвищення тарифів на електроенергію ситуація кардинально змінилася. Менеджмент великих промислових холдингів радикально поставив питання про зменшення споживання усіх енергоресурсів, особливо електроенергії та газу. За результатами чисельних аудитів та аналітичних розрахунків експерти дійшли висновку, що найефективнішими є інвестиції в модернізацію систем освітлення, а саме, перехід на світлодіоди. Найкоротші терміни окупності характерні для підприємств з безперервним циклом виробництва та цілодобовим графіком роботи (24 години, 7 днів на тиждень, без світ та вихідних). Наприклад, більшість підприємств металургійного комплексу мають безперервний цикл виробництва, який неможливо зупинити, а простоювання є аварійним режимом та призводить до значних збитків.

Розглянемо розрахунок окупності інвестицій на прикладі листопрокатного цеху металургійного комбінату – табл. 1.

Таблиця 1

Як видно з наведеного прикладу, відсоток економії електроенергії значно перевищує половину спожитої раніше.

Аналогічні терміни окупності характерні для усього металургійного комплексу та становлять від 0,9 до 3 років залежно від типів світильників, які експлуатуються на даний момент. Враховуючи дуже вигідне та швидке повернення коштів, які вкладалися, керівництво промислових підприємств активно інвестує у модернізацію старих систем освітлення та переходить на світлодіодні світильники.

Проте трапляються випадки, коли у підприємства є пріоритетніші проекти та у бюджетах немає коштів для модернізації системи освітлення. У такому разі менеджмент організації залучає енергосервісні компанії, які надають в оренду систему освітлення на взаємовигідних умовах. Для підприємства вигодою вже є отримання нової системи освітлення та економія електроенергії від 10 до 30–40 %. А для енергосервісної компанії це прибуток від 60 до 90 % від «базової лінії». Зо точку відліку, або «базову лінію», беруть споживання системи освітлення до модернізації. У нашому прикладі за базову лінію приймаємо 1 345,67 кВт·год. Виходячи з розрахункових  показників, підприємство отримає модернізовану систему освітлення та від1,7 млн до 6,8 млн грн прибутку за рік для нашого прикладу (табл. 1). А ЭСКО компанія – від 10,38 млн до 15,57 млн грн прибутку за рік. Як правило, такі контракти розраховані на 5-6 років та передбачають гарантію від виробника на весь термін дії договору.

Для промислового підприємства, крім економії електроенергії, є ще багато вагомих причин модернізувати свою систему освітлення, саме:

1. Збільшення освітленості. З моменту будівництва та введення в експлуатацію багатьох підприємств змінилися санітарні норми освітленості. Для загальних промислових зон замість 100 лк тепер необхідно витримувати мінімум 200 лк.
2. Впровадження світлодіодних технологій дозволяє отримати світло з індексом кольоропередачі (CRI) >80 порівняно з CRI 20 або 70 для газорозрядних ламп. Високий індекс кольоропередачі зменшує ймовірність «пересорту», браку, випадків травмування та багатьох інших негативних факторів низького CRI.
3. Зменшення витрат на експлуатацію системи освітлення. У світлодіодному світильнику немає потреби змінювати лампу або буд-які інші комплектуючі. На весь термін експлуатації (50000–100000 годин), а це 5–12 років безперервної роботи, світильник не потребує додаткових вкладень. А це означає, що крім витрат на витратні матеріали, підприємство заощаджує на великій кількості люд./год. робочого часу (не працюють монтажники, закупівельники, логісти та ін.).
4. Підвищення безпеки праці та зменшення кількості нещасних випадків. У світлодіодних світильниках відсутні негативні явища, характерні для стандартних 9газорозрядних) світильників. Наприклад: пульсації світлового потоку, відсутність можливості миттєвого перестарту, реактивні елементи в ПРА, крихкість тощо.
5. Можливість застосування систем управління. Світлодіоди дозволяють дуже просто управляти світловим потоком. У разі застосування системи управління вони плавно змінюють свій світловий потік у діапазоні від 0 до 100 %. При цьому прямо пропорційно змінюється й споживання електроенергії також у діапазоні від 0 до 100 %. Застосовуючи систему управління освітленням, її можна максимально інтегрувати в технологію виробництва. Тим самим додатково заощадити електроенергію та підвищити рівень безпеки та комфортність праці. Додатково можна заощаджувати 20–90 %(!) електроенергії залежно від технологічного процесу. Варто звернути увагу, що у цьому випадку ми порівнюємо вже не газорозрядні світильники з світлодіодними, а світлодіодні з світлодіодними з можливістю регулювання. Різниця у вартості регульованого та нерегульованого світильників приблизно 20–30 % без урахування вартості системи управління (СУ). Вартість СУ розраховується окремо та залежить від технології виробництва та величини природнього освітлення, яке потрапляє у приміщення. На деяких підприємствах одразу інвестують у світильники з можливістю регулювання, а систему управління встановлюють пізніше. Таке рішення дозволяє зменшити інвестиційне навантаження з метою почати заощаджувати уже зараз, а у перспективі значно збільшити відсоток економії.

Для важкої промисловості, особливо для металургії, характерні суворі умови експлуатації світлотехнічного обладнання. Розглянемо кілька експлуатаційних особливостей системи освітлення на прикладі металургійного комбінату.

• Висока запиленість. На більшості ділянок металургійного виробництва є багато пилу, що виділяється під час технологічних процесів. Враховуючи те, що світлодіодні світильники мають тривалий термін служби (близько 10 років), пил буде накопичуватися на корпусі світильника. Велика кількість пилу на корпусі значно зменшує його тепловідвідні якості та може призвести до виходу з ладу світильника або до значної деградації світлодіодів (зменшення світлового потоку світильника). У зв’язку з цим необхідно, щоб корпус світильника мав таку конструкцію, щоб на ньому не накопичувався пил – наприклад, радіальний наскрізний радіатор (рис. 2). Також необхідно запобігти потраплянню пилу всередину корпусу світильника, тому ступінь захисту має бути не нижче IP.

• Наявність високих температур (до +90 °С). На дільницях розливу сталі, на печах прокатних станів, на котлах ТЕЦ та ін. бувають температури близько +90 °С. Такий режим є екстремальним для світлодіодних світильників та призводить до швидкого виходу з ладу або значної деградації. Тому під час світлотехнічного моделювання необхідно максимально віддалити світильники від зони високих температур. Це завдання можна вирішити, застосовуючи асиметричні прожектори або світильники з симетричним променем, націленим під певним кутом.
• Просадки та імпульсні стрибки напруги живлення. Під час запуску та зупинки потужного технологічного обладнання виникають просадки та стрибки напруги живлення до ± 50 % від номінальної значення. Тому драйвер світильника має витримувати такі режими та не виходити з ладу, а після повернення напруги живлення до номінальних значень відновити 100 % працездатності та задекларовані характеристики (світловий потік та споживана потужність).
• Вплив агресивного середовища. У багатьох технологічних процесах застосовують кислоти та солі, агресивні для компонентів світильника. Тому для збереження задекларованих характеристик на період всього терміну експлуатації компоненти світильника мають бути підібрані з урахуванням несприйнятливості до агресивних середовищ. Наприклад, корпус має бути виготовлений з литого під тиском алюмінію та пофарбований порошковою фарбою. А оптика має бути виготовлена зі стабілізованого полікарбонату (стійкого до ультрафіолету), також можливе застосування загартованого скла або силікону. Виготовлена з таких матеріалів оптика збереже прозорість протягом всієї експлуатації світильника.
• Парові тумани. На прокатних станах та на багатьох інших ділянках для охолодження металу або частин машин та механізмів застосовують воду. Під час охолодження вона перетворюється на пару, створюючи при цьому потужний паровий туман. Розуміючи цю особливість, необхідно передбачити світильники з колірною температурою не більше 4000 К, щоб світло ефективно «розрізало» парові тумани.
• Висока ймовірність механічних пошкоджень. Світильники мають бути з індексом IK05 або вище.

Розглянемо детальніше компоненти, з яких складається світлодіодний світильник (рис. 3).

1. Корпус-радіатор. Цей компонент світильника відповідає не лише за компактне розташування усіх функціональних вузлів та кріплення, але й за відведення тепла від світлодіодів. Тобто виконує функцію радіатора. І ця функція корпусу є основною! За некоректного вибору корпусу-радіатора площі охолоджуючої поверхні може бути недостатньо і світлодіоди будуть перегріватися. Це призведе до їх швидкої деградації. Тому корпуси світлодіодних світильників правильно виготовляти цілісними з литого під тиском алюмінію.
2. Драйвер. Цей елемент призначений для трансформації мережевої змінної напруги у постійний струм з певним значенням. Чим більший струм проходить через світлодіод, тим більше фотонів, а відповідно й світла, він генерує. Проте, чим більший струм проходить через світлодіод, тим сильніше він нагрівається. Тому дуже важливо витримати оптимальний баланс, за якого драйвер буде генерувати таку кількість струму, за якої діоди працюватимуть у номінальному температурному режимі та видавати максимум світла.
3. Оптика. З появою компактних світлодіодів не стало потреби виготовляти громіздкі відбивачі (растри), щоб зібрати весь світловий потік від лампи та спрямувати його у необхідному напрямі. Світлодіоди випромінюють в одному напрямку, тому оптика фокусує весь потік ефективніше. Без застосування оптики світлодіоди випромінюють світло з кутом розсіювання 120–170 градусів. Оптика може зібрати весь світловий потік у вузький пучок (30–40 градусів), і ця можливість дозволяє застосовувати світлодіодні світильники на підвісах до 30–40 м. Для важкої промисловості стельове освітлення виконано на висоті 20–40 м тому оптика значно збільшила ефективність системи освітлення.
4. Світлодіоди. Головним елементом світлодіодного світильника є світлодіоди, основною характеристикою яких є світлова віддача. Чим вищий цей показник, тим ефективніше світильник. Сьогодні для світильників стельового освітлення промислових підприємств мінімальне значення світлової віддачі становить 130 лм/Вт. Проте цей показник з кожним роком підвищується. Компоновка діодів може бути двох типів: COB та SMD. Для світильників з суворими умовами експлуатації перевага віддається SMD. Це зумовлено рівномірнішим тепловиділенням, що дуже важливо в умовах підвищених температур експлуатації.

ВАЖЛИВО! Сьогодні в Україні зареєстровано більше ніж 3700 підприємств, які заявляють, що виробляють світлодіодні світильники. Проте більшість – з цих підприємств далекі від світлотехніки та виробляють прилади дуже сумнівної якості. Особливо необхідно звертати увагу на такі моменти:

• неграмотно підібраний корпус – погано здійснюється тепловідведення;
• застосування технології СОВ для потужних світильників або для світильників, встановлених у зонах з підвищеними температурами;
• декларація фантастичних характеристик. Наприклад, робоча температура від -40 до +90 °С, світлова віддача світильника більша ніж 150 лм/Вт;
• застосування примусового охолодження (вентиляторів або водяних контурів). Такі «світильники» дуже ненадійні через наявність рухомих частин;
• також деякі «виробники» забувають про втрати на елементах світильника. Наприклад, втрати на оптиці сягають 5–30 %, а втрати на драйвері – 10-15 %.

З усього  вищесказаного витікає, що питання освітлення у промисловому секторі потребує дуже серйозного підходу. І обов’язкового відвідування об’єкту з здійсненням комплексного аудиту. Тільки після розуміння усіх факторів та особливостей конкретного виробництва можна визначитися з типом обладнання, зробити світлотехнічні розрахунки та техніко-комерційну пропозицію. Якщо усі особливості враховані правильно, то світлодіодна система освітлення гарантовано пропрацює задекларовані  50000–100000 годин (6–12 років) та виправдає очікування покупця щодо комфорту та щодо окупності інвестицій.

Матеріал опубліковано у журналі «СвітлотекКомм’юніті» № 1, 2019