Energibesparelser med diodelys

Målet med dette projekt har været at udvikle en teknologisk viden og kompetenceplatform til udnyttelse af ny lysdiodeteknologi til generelle belysningsformål. Endvidere har projektet sigtet mod at udvikle en 3 W hvid lysdiodepære, som vil kunne erstatte 15-20 W glødepærer og halogenspots og dermed demonstrere et stort energibesparelsespotentiale i udnyttelsen af LED teknologien til belysnings-anvendelser.

I projektet er det lykkedes at udvikle nye LED-lyskilder med en høj lyskvalitet som udviser store energibesparelser. Projektets resultater omfatter en række nye typer diodelyskilder samt nye faciliteter, kompetencer og viden funderet hos projektets deltagere.

Sammenfattende er projektets hovedresultater:

1. 3 W diodelys prototypepærer støbt i et robust plasthus med nyudviklet effektiv styringselektronik og E14 fatning til direkte anvendelse i 230 V installationer. En af prototyperne har en farvetemperatur på 3900 K og en farvegengivelse givet ved et Ra-indeks på 72. RGB-Lamps estimerer, at denne prototypepære har en lysstyrke på 146 cd. En mere energieffektiv diodelyspære med en estimeret lysstyrke på 256 cd med en farvetemperatur på 2470 K er samtidig udviklet, men den øgede effektivitet er opnået på bekostning af et væsentligt lavere Ra-indeks. Prototypepærerne er forsynet med en nyudviklet holografisk mikrooptisk linse, som giver den ønskede udstrålingsvinkel og blanding af lyset.
2. Der er udviklet en laboratorieprototype af en højeffekts LED-lyskilde som har høj lyskvalitet og som kan indstilles til farvetemperaturer på henholdsvis 2920 K svarende til glødepærelys eller 6500 K svarende til en fase af dagslys. Energieffektiviteten for disse er hhv. 27 og 24 lm/W og prototypepæren har en god farvegengivelse givet ved et Ra-indeks på 90. En maksimal effektivitet på 30 lm/W er opnået for en farvetemperatur på 2800 K og et Ra-indeks på 80. Denne energieffektivitet er 2½ - 5 gange bedre end for glødepærer, som har en energieffektivitet på 6 - 12 lm/W. Med et effektforbrug på 3 W vil denne LED-lyskilde kunne erstatte en 15 W glødepære med en lysstrøm på 90 lm (eks. TERO Lights 15 W Classic). Der findes dog 15 W glødepærer med en højere effektivitet, som har en lysstrøm på 120 lm. Den nye LED-lyskilde er imidlertid ikke begrænset til en wattage på 3 W og kan ved en højere effekt udsende en maksimal lysstrøm på hhv. 820 lm og 507 lm for de to indstillinger af LED-lyskilden svarende til hhv. glødepærelys og en fase af dagslys. En 60 W's glødepære med en god energieffektivitet på 12 lm/W udsender en total lysstrøm på omkring 700 lm (eks. OSRAM Classic A FR60). LED-lyskilden vil derfor kunne erstatte visse typer af glødepærer med en wattage op til 60 W, og kan gøre dette med en energieffektivitet, der er ca. 2½ gange bedre. LED-lyskilden har en udstrålingsvinkel på omkring 140 grader, hvilket svarer til en rumvinkel som er ca. 4 gange mindre end for en glødepære. Det vil sige, at lysstyrken fra LED lyskilden vil være ca. 4 gange højere end fra en glødepære med samme lysstrøm. Denne større lysstyrke kan give yderligere energibesparelser i en lang række applikationer.
3. Nye computermodeller af enkelt LEDs samt LED systemer til simulering af lysudbredelse og farveblanding i LED lyskilder. Modellerne svarer til den fysiske opbygning af LEDs og LED systemer og giver en god beskrivelse af udstrålingen sammenlignet med tilsvarende målinger. Dette har vist sig at være et vigtigt værktøj i dimensioneringen af LED systemerne og som designværktøj til nye optiske elementer til spredning og blanding af lyset fra de enkelte LEDs. Modellerne har resulteret i en ny metode til at opnå stor spredningsvinkel og en øget udkoblingseffektivitet fra specifikke lysdioder.
4. Nyt design- og beregningsprogram til spektral dimensionering (farvesammensætning) af LED lyskilder baseret på RGB-teknologi. Med denne facilitet er det muligt at designe LED lyskilder med en ønsket farvetemperatur og en optimal farvegengivelse ved blanding af lys fra forskellige LEDs.
5. Nye holografiske og mikrooptiske elementer er udviklet til blanding og spredning af lyset fra LED systemerne. En række holografiske diffuser-elementer er fremstillet og karakteriseret. De giver en god spredning af lyset og lave tab ved ikke alt for store spredningsvinkler. Risøs Nanoplotter er benyttet til at fremstille mikrolinse-enheder med tilfældigt fordelte linseelementer. Der er fremstillet mikrolinse-elementer til diodepære prototyperne med en spredningsvinkel på ca. 10 grader og et estimeret tab på 1 % når der ses bort fra det normale refleksiontab. Mikrolinseelementerne, såvel som de holografiske diffusere kan massefremstilles ved replikeringsprocesser såsom sprøjtestøbning.
6. Et nyt laboratorium til karakterisering af LEDs og andre lyskilder er opbygget på Risø. Målinger af spektralfordeling og rumlig udstrålingsfordeling kan udføres som funktion af operationsstrøm og temperatur for forskellige typer af LEDs. For farvede LEDs måles peak- og dominerende bølgelængde samt spektralbredde. For hvide lyskilder måles karakteristiske parametre såsom farvekoordinater, farvetemperatur og Ra-indeks. 7) Nordlux har udviklet en række design af lamper og armaturer til indendørs- og udendørs-anvendelser i private hjem. Disse er specielt tilpasset de nye diodepære prototypers karakteristika En omfattende markedsanalyse af muligheder og barrierer for anvendelsen af diodelys er blevet gennemført af NESA. Analysen peger på en række anvendelser af hvidtlysdioder i private hjem. Det er, igennem et beregningseksempel på driftsøkonomien over en årrække, vist at der er god økonomi i udskiftning af gløde- og halogen-pærer med lav wattage på 10-20 W med 3 W diodepærer. NESA har lavet sammenlignende livscyclusberegninger for diodelyskilderne i forhold til glødepærer. Disse beregninger viser, at der er en lang række fordele ved diodelyskilder fremfor glødepærer. Heraf er de vigtigste; en længere produktlevetid, mindre ressourceforbrug, større energieffektivitet samt mindre miljøbelastning. Desuden har diodelyspærer intet problem med kviksølvindhold i bortskaffelsesfasen som kendes fra lysstofrør og sparepærer.

Det er således i projektet ”Energibeparelser med diodelys” udviklet en lang række nye kompetencer samt nye LED-pærer som har høj lyskvalitet og som udviser store energibesparelser.

Teknologien er udviklet så langt, at LED-pærerne med et effektforbrug på 3W kan erstatte visse typer af kommercielle glødepærer med et effektforbrug på 15 W. Der er endvidere udviklet en LED-pære med en maksimal lysstrøm på omkring 800 lm som vil kunne erstatte en 60 W´s glødepære med en effektivitet der er 2½ bedre end for en kommerciel glødepære.

Udviklingen indenfor LED-teknologien går så hurtigt at de internationale lysdiode producenter, OSRAM og Lumileds, indenfor projektperioden har annonceret en ny generation af lysdioder med en energieffektivitetsøgning på 45 %. Disse vil være på markedet hhv. ultimo 2005 og medio 2006. Ved benyttelse af denne nye generation af lysdioder kan man opnå en lysstrøms- og effektivitetsforøgelse på 45 % på de LED-pærer som er udviklet i dette projekt.

Projektet vandt ELFORSK Prisen 2006.