Компании Infineon, Intel и eluminocity анонсируют совместный проект по созданию безопасных городских улиц, объединенных в глобальную сеть .

С ростом численности населения крупных городов органы государственной власти в разных странах мира ищут способы сделать города, их инфраструктуру и энергетические системы более интеллектуальными, безопасными и энергоэффективными. Наряду с этим подключение транспортных средств к глобальной сети предоставляет городским службам больше возможностей взаимодействия с водителями для комфортного и эффективного управления транспортными потоками. Однако, по мере того как все большее число систем управления переходит к использованию облачных технологий, формируя тем самым Интернет вещей (IoT), появляется больше возможностей для несанкционированного доступа к конфиденциальным данным.

В данной статье приведен обзор некоторых фундаментальных технологий, созданных в сотрудничестве компаниями Infineon, eluminocity и Intel , которые позволяют сделать города будущего более интеллектуальными, а также – инновационных решений для систем освещения, которые могут стать важной составной частью умных городов, объединенных в глобальную сеть.

Ускорение процессов урбанизации и доступ к новым технологиям повышает требования потребителей к тому, насколько их жизнь будет комфортной в ближайшем будущем. До недавнего времени основное внимание уделялось совершенствованию мобильных устройств и связанных с ними продуктов, однако в настоящее время становится очевидным, что улучшение инфраструктуры играет важную роль в технологической эволюции мира, в котором мы живем. Разработчики городской инфраструктуры сталкиваются со все более сложными проблемами и требованиями, которые зачастую противоречат друг другу. С одной стороны они быстро внедряют новые технологии, чтобы добавить больше функциональности атрибутам повседневной жизни, например, обычному уличному освещению, а с другой – пытаются свести к минимуму потребление энергии ввиду постоянного роста стоимости энергоносителей.

В новом, более совершенном, мире уличный фонарь – это уже не просто источник света, а многофункциональный коммуникационный портал, который является основой интеллектуальной городской инфраструктуры. Для того чтобы обеспечить необходимую функциональность и возможность доступа к сетевым ресурсам, разработчики систем освещения используют технологии сотовой связи, разнообразные типы датчиков, – как активных, так и пассивных, – а также современные решения в области защиты информации.

Радиолокатор, работающий в диапазоне 24 ГГц

Радиолокационный способ обнаружения объектов основан на использовании отраженных электромагнитных волн, посредством которых можно определить расстояние до объекта, угол и скорость его движения. Типичные радиолокационные системы (радары) включают в себя передатчик, генерирующий электромагнитные импульсы или непрерывное излучение в радиочастотном или микроволновом диапазоне частот, раздельные передающую и приемную антенны и приемник, осуществляющий прием и обработку сигналов.

Импульсный радар измеряет расстояние до неподвижных или движущихся объектов, генерируя короткий мощный импульс и принимая отклик, отраженный от объекта. Время между посылаемым импульсом и принимаемым откликом прямо пропорционально расстоянию от радиолокационной системы до объекта.

Радары с непрерывным излучением постоянно генерируют электромагнитные волны с частотной модуляцией, реализованной одним из двух способов (рисунок 1). Радар с непрерывным частотно-модулированным излучением (FMCW) способен обнаруживать как стационарные, так и движущиеся объекты, передавая сигнал с линейной частотной модуляцией, который смешивается в приемнике с принятым сигналом. Низкочастотный выходной сигнал приемника содержит информацию о расстоянии до объекта и его скорости. Модуляция скачкообразным изменением частоты, называемая также частотной манипуляцией (FSK), может использоваться для определения расстояния только для движущихся объектов. При данном способе модуляции передатчик последовательно посылает сигналы на двух разных частотах, и расстояние определяется по допплеровскому сдвигу фаз принятых сигналов.

Поскольку обнаружение объектов становится все более востребованным для интеллектуальных систем и устройств, радиолокационная техника диапазона 24 ГГц применяется в различных приложениях Интернета вещей, включая мультикоптеры/дроны, интеллектуальные дверные замки, системы бытовой и производственной автоматизации, измерители скорости, робототехнику и др.

Интеллектуальное уличное освещение

Рис. 2. В «умных городах» будущего интеллектуальная система уличного освещения является лишь одной из функций интеллектуальных концентраторов

Анонсированный недавно совместный проект компаний Infineon, eluminocity и Intel направлен на создание умных городов будущего, объединенных в глобальную сеть. Соединив свои ноу-хау и передовые технологии, три компании разработали усовершенствованное высокоэффективное светодиодное уличное освещение, которое включает в себя также прецизионные датчики и защищенную систему передачи данных. Совместный проект по созданию системы освещения умных городов основан на уличных светильниках компании eluminocity, которые являются также сетевыми концентраторами для интеллектуальных приложений (рисунок 2). Электронные системы базируются на технологиях Infineon и включают в себя радар диапазона 24 ГГц, силовые полупроводниковые приборы (П/П), микроконтроллеры (МК) серии XMC ™ и высокоэффективные устройства защиты информации серии OPTIGA ™ . Технология Intel позволяет подключаться к сети посредством модема с малым энергопотреблением и большой зоной покрытия, поддерживающего работу с сетями сотовой связи, которые используют стандарты LTE Cat.1, LTE Cat.M1, Cat.NM1, LTE-NB и 5G-IoT.

В сочетании с технологией OPTIGA™ компании Infineon сотовая связь, основанная на стандартных протоколах, представляет собой открытую систему, которая является масштабируемой и полностью независимой от существующей инфраструктуры, и обеспечивает при этом высокий уровень защиты информации.

Рис. 3. Внешний вид интеллектуального уличного светильника eluminocity

В этом случае оператору систем уличного освещения (как правило – органу государственного управления) необходимо всего лишь подключить концентраторы уличного освещения к уже имеющейся инфраструктуре.

В дополнение к тому, что уличные светильники, выполненные на микросхемах управления питанием и силовых ключах Infineon, сами по себе обладают высокой энергоэффективностью, применение радара диапазона 24 ГГц позволяет обнаруживать присутствие объектов и увеличивать яркость света только там, где это необходимо, что обеспечивает более эффективное решение по сравнению с большинством постоянно включенных светильников.

Однако интеллектуальные светильники eluminocity – это не только системы освещения с высокой энергоэффективностью (рисунок 3). Встроенные в них бесконтактные детекторы позволяют обнаруживать близлежащие свободные парковочные места, что в сочетании с сетевыми технологиями Intel предоставляет водителям, находящимся поблизости, информацию о доступном количестве парковочных мест.

Данная функция характеризует светильники eluminocity как один из элементов полнофункциональной системы интеллектуального управления транспортным трафиком.

Благодаря мониторингу локальных условий дорожного движения специалисты по городскому планированию и владельцы окрестных магазинов получают полезные сведения, позволяющие ориентировать водителей транспортных средств в зонах их скопления либо посредством сигналов или знаков дорожного движения, либо путем предоставления актуальной на данный момент информации бортовым спутниковым навигационным системам.

Современные интеллектуальные уличные светильники могут также оснащаться встроенными зарядными устройствами для электрических транспортных средств.

Поскольку такие зарядные устройства не требуют выделения под них дополнительных площадей, это является ключевым фактором, способствующим успешному развитию городского электротранспорта.

Обзор технологий интеллектуального освещения

Обеспечение безопасности данных в концентраторах OPTIGA™

Большие возможности по формированию сетевой структуры интеллектуальных городов на основе концентраторов уличного освещения и преимущества, реализуемые посредством открытого доступа к этой структуре со стороны пользователей, создают потенциальную проблему уязвимости сети. Для устранения угрозы несанкционированного доступа и обеспечения безопасности сетей, на которых базируются умные города, в концентраторах уличного освещения реализована технология надежной защиты информации с использованием устройств семейства OPTIGA™ производства компании Infineon. Встроенные функции безопасности OPTIGA™ включают в себя проверку целостности системы и данных, аутентификацию и защищенные от несанкционированного доступа передачу и хранение данных, а также безопасное обновление программного обеспечения.

В семейство устройств OPTIGA™ входит современный 16-разрядный контроллер с функцией защиты данных, который можно легко интегрировать в широкую номенклатуру устройств Интернета вещей. Для обеспечения полной гибкости, необходимой системным разработчикам, семейство устройств OPTIGA™ поддерживает работу с операционными системами Microsoft Windows, Linux и их производными, а также предоставляет интеграционную поддержку для фирменных операционных систем. Семейство OPTIGA™ содержит также криптопроцессор TPM с поддержкой последней версии стандарта TPM 2.0 консорциума TCG, что позволяет разработчику использовать наиболее современные протоколы безопасности.

Обнаружение приближения объекта в интеллектуальных концентраторах уличного освещения реализовано на основе промышленного радара BGT24LTR11 диапазона 24 ГГц (рисунок 4), имеющего минимальный размер корпуса в данном классе устройств и позволяющего измерять расстояние до объекта и его скорость с использованием эффекта Доплера. Дополнительные каналы приема позволяют также определять посредством фазового детектирования сигналов с разных антенн угол и направление движения объекта.

Диапазон 24 ГГц обеспечивает высокую точность обнаружения объектов: до 50 м для пешеходов и до 150 м для транспортных средств. Кроме того, радиолокационные способы обнаружения обладают значительно большей чувствительностью по сравнению с пассивными инфракрасными (ИК) датчиками и способны, например, обнаруживать дыхательное колебание в пределах нескольких миллиметров. Можно с уверенностью утверждать, что радары в конечном итоге заменят пассивные ИК-датчики во многих приложениях. Диапазон 24 ГГц пригоден для работы при различных атмосферных воздействиях, включая существенные изменения температуры, высокий уровень влажности и повышенную запыленность воздуха, что позволяет использовать радары, работающие в данном диапазоне, даже в самых неблагоприятных условиях современных городов.

Разработчикам, которые еще недостаточно хорошо знакомы с радарной технологией диапазона 24 ГГц, компания Infineon предлагает набор демонстрационных плат, например, Sense2GoL . Данная полнофункциональная плата размером 25х25 мм содержит, наряду с радаром BGT24LTR11, специализированные полосковые передающую и приемную антенны, а также 32-битный промышленный МК XMC1302 ARM® Cortex® M0 . Демонстрационная плата радара соединена перфорированной перемычкой с отладочной платой Segger , посредством которой можно осуществлять программирование и оценку функциональных возможностей платы радара.

Комплект поставки демонстрационной платы включает также программное обеспечение детектора движения и программный графический интерфейс пользователя для наблюдения за радиолокационными сигналами, а также руководство пользователя и полный набор схем и файлов печатных плат в формате gerber для ускоренного внедрения разработки в производство.

Возможность подключения дополнительных датчиков

К интеллектуальным концентраторам уличных систем освещения могут быть подключены практически любые датчики: например, датчики газа могут контролировать качество воздуха, а звуковые датчики – распознавать повышенный уровень шума. Конкретные варианты применения датчиков могут включать в себя аудиосопровождение на дороге или обнаружение выстрела из огнестрельного оружия. Датчики освещенности, несмотря на свою простоту, играют важную роль в повышении «интеллекта» уличного освещения: измеряя уровень естественного освещения, они смогут включать уличное освещение во время посмурной погоды. Кроме того, контролируя фактический уровень освещенности, они способны передавать сигнал обратной связи контроллеру для обеспечения нормативного уровня освещенности при любых условиях эксплуатации независимо от выработанного ресурса уличных светильников. При этом данные об износе оборудования могут быть дистанционно переданы техническому персоналу для более качественного планирования регламентных работ и предупреждения преждевременного отказа оборудования.

Эффект от внедрения:
-для объекта : снижение стоимости киловатт/часа за счет снижения омических потерь в проводах;
-для муниципального образования : снижение (в несколько раз) капитальных затрат на прокладку линий электропередач, особенно для кабельных линий; экономия (в несколько раз) цветных металлов; снижение затрат на эксплуатацию; исключение аварий, вследствие отсутствия короткого замыкания в проводах, в том числе и за счет опасных погодных явлений (сильный ветер, наледь и др.); снижение уровня энергопотребления за счет уменьшения потерь энергии в проводах. .
Объекты внедрения: Системы освещения , Промышленность , Насосные станции , Подстанции, электрические сети .

В.М. Угаров, генеральный директор, ЗАО «РезонансЭнерго», г. Москва

Предлагаемое решение

Разработана экономичная пожаробезопасная резонансная система электроосвещения с использованием сверхярких светодиодов и люминесцентных ламп. Однопроводная резонансная высокочастотная электрическая система используется в качестве источника энергии. Использование провода или кабеля с одной тонкой жилой позволяет сократить расход цветных металлов, уменьшить капитальные затраты на осветительные сети, исключить возможность короткого замыкания в линиях и хищение кабелей и проводов. Резонансная система питания может найти применение для экономичного энергосберегающего освещения жилых и производственных зданий, а также для освещения сельских населенных пунктов, дорог и улиц.

Однопроводниковые линии позволяют передать электрическую энергию на б́ольшие расстояния, по сравнению с традиционными, уменьшить потери в линии электропередачи, исключить аварии на линии, связанные с погодными явлениями, получить экономию цветных металлов. От однопроводниковой линии можно питать потребителей от одного генератора, для этого достаточно к линии (3) присоединить обратных преобразователей состоящих из резонансного трансформатора (4), выпрямителя (5) и преобразователя со стандартным выходным напряжением (6) (рис. 1).

Линия электропередачи может быть воздушная, кабельная (проложенная в земле) или может просто лежать на поверхности земли. В качестве воздушной линии можно использовать имеющиеся линии электропередачи.

Система с электропитанием по одному проводу в резонансном режиме предназначена для освещения больших помещений, интерьеров подземных и наземных сооружений, вокзалов, железнодорожных станций, выставочных павильонов, вагонов, освещение жилых, спортивных, промышленных, железнодорожных и сельскохозяйственных объектов и помещений, удаленных улиц и железнодорожных станций.

Использование одиночного проводника в качестве волновода для передачи электромагнитной энергии на высокой частоте основаны на свойстве разомкнутой линии индуцировать на поверхности проводника электрические заряды, благодаря которым осуществляется передача электрической энергии.

Традиционная система уличного (рис. 2) освещения большой протяженностью состоит из 3-х фазной высоковольтной линии электропередачи (1) напряжением 6-10 кВ, нескольких трансформаторных подстанций (2) 6-10/0,4 кВ, участков 3-х фазной низковольтной линии (3) протяженностью до 2-3 км и фонарей на газоразрядных лампах с дроссельным питанием. Дроссельное питание, как правило, имеет cosφ равный 0,4-0,55, что увеличивает потребляемый ток в трансформаторах и линии электропередачи, что в свою очередь требует увеличение сечения проводов или установки индивидуальных компенсаторов реактивной мощности.

Таким образом, параллельно линии освещения должны быть протянуты 6 силовых проводов (3-высоковольтных и 3 низковольтных), не считая нулевых и заземляющих.

Резонансная система уличного освещения (рис. 3) состоит из одной трансформаторной подстанции (5) 6-10/0,4-0,6 кВ, преобразователя частоты (6), резонансного трансформатора (7), однопроводниковой линии (8) и фонарей (9) с обратными преобразователями.

Система работает следующим образом. Напряжение источника электрической энергии, подводимое к преобразователю напряжения, преобразуется в повышенное напряжение высокой частоты, и подается на однопроводную линию. К однопроводной линии подсоединены фонари. Лампы могут быть применены компактные люминесцентные или светодиодные.

Например, для линии освещения со стандартной системой питания мощностью 20 кВт, протяженностью 6 км, необходимо:

• 3-х фазная линия электропередачи с напряжением 6-10 кВ, длиной 3 км с минимальным сечением 70 кв.мм х 3 (на отпайках, в линиях 6-10 кВ, допускается минимальное сечение 35 мм2);
• трансформаторная подстанция 6-10/0,4, мощностью 25 кВа (при cosφ=0,9);
• две 3-х фазные низковольтные линии электропередачи с напряжением 0,4 кВ, длиной 3000 м, сечением 150 кв.мм х 3, при потерях напряжения до 8 %;
• фонари с дроссельным балластом (0,9 кг меди в каждом) и компенсаторами реактивной мощности;
• натриевые или дуговые ртутные лампы.

Для линии освещения с резонансным питанием мощностью 20 кВт, протяженностью 6 км, необходимо:

• трансформатор 6-10/0.4-0.66, мощностью 25 кВА (при cosφ=0,9 и кпд преобразователя 0,9);
• преобразователь частоты мощностью 20 кВт;
• резонансный трансформатор (10 кг меди);
• однопроводниковая линия электропередачи длиной 6 км, сечением 6мм2;
• фонари с обратными преобразователями и электронными балластами (0,12 кг меди);
• светодиодные или компактные люминесцентные лампы.

Система электроосвещения прошла апробацию на молодежном форумах «Селигер-2006» и «Селигер-2007» (рис. 4), показывалась на выставках «Архимед-2007», «Архимед-2008», Золотая Осень 2008 и др.

Во всероссийском научно-исследова-тельском светотехническом институте (ВНИСИ) разработана и запатентована система электрического освещения на основе светодиодных ламп с питанием от резонансной однопроводниковой линии.

Преимущества

Преимущества резонансных систем светодиодного освещения:

• передача электрической энергии на большие расстояния без применения трансформаторных подстанций;
• снижение капитальных затрат на электроснабжение;
• уменьшение потерь в линии при передаче электроэнергии;
• исключение аварий на линии, связанных с погодными явлениями;
• принципиальное отсутствие коротких замыканий в проводах;
• получение экономии цветных металлов;
• улучшенная цветопередача;
• экономия электроэнергии;
• высокой срок службы - до 100 тыс. ч;
• возможность плавного регулирования яркости.

Опыт внедрения

На основе апробации данной системы в птичнике ГУП ППЗ «Птичное» Россельхозакадемии (рис. 5) установлено:

• в настоящее время клетки размером 1м х 2м при двух ярусном расположении освещаются двумя лампами накаливания мощностью по 60 Вт итого 120 Вт, данная система не позволяет равномерно освещать клетки всех ярусов (нижние клетки освещены хуже, 5 лк против 15 лк), таким образом, для освещения одной клетки при двух ярусной конструкции расходуется 40 Вт;
• на одну птицеклетку размером 1м х 2 м достаточно 2-х светодиодных ламп мощностью по 1 Вт и одну светодиодную лампу мощностью 1 Вт для освещения прохода обслуживающего персонала, таким образом, для освещения одной клетки при двух ярусной конструкции расходуется 2,5 Вт;
• светодиоды обеспечивают равномерное освещение внутри клетки независимо от яруса расположения клетки;
• резонансная система электрического освещения на основе светодиодных ламп позволяет изготавливать регулируемое освещение внутри любой клетки в пределах 2-20 лк при неизменном спектре излучения (в то время как при изменении яркости ламп накаливания спектр излучения меняется);
• срок службы светодиодных ламп составляет 50 тыс. ч (при уменьшении светового потока на 20 %), у ламп накаливания до 1 тыс. ч (замена 30% ежемесячно).

Полученные результаты производственной апробации разработанной однопроводной резонансной системы освещения на основе светодиодов с целью замены существующих линий освещения свидетельствуют о высокой эффективности и экономичности.

Нормы освещенности внутри клеток обеспечиваются при монтаже двух светодиодных ламп мощностью по 1 Вт снаружи клетки с разных сторон по диагонали.

Однопроводная резонансная система освещения может быть использована для замены существующей системы освещения.

Литература
1. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии, издание второе. Изд. ВИЭСХ, М., 2008.
2. Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин О.А. Однопроводниковые системы электрического снабжения (освещения). Специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» Сборник научных трудов и инженерных разработок. Москва 2008. С. 358-362.
3. Стребков Д.С., Некрасов А.И., Юферев Л.Ю., Рощин О.А. Резонансная система электрического освещения. Экология и сельскохозяйственная техника. Материалы 5-й международной научно-практической конференции 15-16 мая 2007 г. Том 3. Экологические аспекты производства продукции животноводства и электротехнологий. С-П 2007. С. 246-250

Согласно модели развития аналитической компании McKinsey, к 2020 году оборот мирового рынка освещения составит почти 110 млрд евро, с ежегодным ростом 6% в период с 2010 по 2016 и 3% с 2016 по 2020 гг. Основой рынка является общее освещение, оборот которого в 2011 году составил примерно 60 млрд евро, а это почти 75% доходов всего рынка освещения.

Ожидается, что к 2020 году он вырастет до 80 млрд евро и составит 80% всех доходов (см. рисунок 1).

Прогресс рынка общего освещения обусловлен двумя основными факторами. Первый - стремительный рост инвестиций в строительство в развивающихся странах. Второй - все большее внедрение дорогих технологий в освещение, включая светодиоды, что естественным образом повышает среднюю стоимость готовых осветительных приборов. Постоянно растет и рынок автомобильного освещения. В 2011 году его оборот оценивался примерно в 14 млрд евро, что составляет 20% рынка освещения.

По оценкам экспертов, к 2020 году этот сектор осилит оборот в 18 млрд евро. 90% оборота сектора автомобильного освещения составляют внешние световые приборы, из которых 70% приходится на головной свет. По темпам роста, автомобильный сектор рынка не уступает сектору общего освещения, и двигатели, вращающие колеса прогресса автомобильного освещения, вполне схожи: мощный рост автомобилестроения в развивающихся странах, а также проникновение светодиодных технологий. Еще одной тенденцией в этом секторе стало смещение акцента на инсталляцию нового освещения. В свою очередь, новые, более долговечные и энергоэффективные источники света приведут к спаду на рынке запчастей для обычных автомобильных осветительных приборов.

Оборот рыночного сектора подсветки, оценивался в 2011 году на уровне 4 млрд евро, что составляет около 6% от общего рынка освещения. Несмотря на столь скромную долю в общей копилке, сектор подсветки играет огромное значение, поскольку широкое внедрение светодиодных технологий будет оказывать существенное влияние на стоимость светодиодной продукции в других секторах, например, в общем освещении.

В настоящее время основной подсветкой экранов небольших и средних размеров, применяемых в мобильных телефонах, ноутбуках, компактных мониторах и ЖК-телевизорах являются светодиоды. Также они понемногу захватывают и широкоэкранные ЖК-телевизоры - традиционную вотчину флуоресцентных ламп с холодным катодом.

OLED-технологии уже применяются на рынке мобильных телефонов и смартфонов. Их успех обеспечило более высокое разрешение, чем у ЖК-дисплеев. А благодаря щедрым инвестициям ряда корейских компаний, они могут потеснить с широкоэкранных ЖК-телевизоров даже светодиоды.

До 2016 года оборот рынка подсветки останется стабильным и составит все те же 4 млрд евро. Его доля может даже уменьшиться из-за увеличения габаритной яркости светодиодов, а также внедрение OLED-технологий.

Что касается других сфер применения светодиодных технологий, таких как сигнализация и медицинское освещение, их доля на рынке общего освещения ничтожно мала и каких-либо коренных изменений в ближайшее время наблюдать не придется.

Мировой рынок освещения. Рост населения земли и увеличение доходов

К 2020 году, по оценкам экспертов, население планеты будет равно 7,7 миллиардам. Это фундаментальный стимул роста потребности в освещении, как жилых помещений так и в других секторах рынка. Основной прирост населения - примерно 78 % - приходится на страны азиатско-тихоокеанского региона и в период с 2011 по 2020 составит 800 миллионов человек. Таким образом, расстановка сил на рынке освещения будет определяться еще и географическим фактором, и именно азиатские рынки будут определять потребности на рынке освещения.

Мировой рынок освещения. Урбанизация

Ежегодный рост мировой экономики в период с 2011 по 2020 составит 3– 4 %. Основу этого роста составит городская экономическая деятельность, которая окажет сильное влияние на запросы рынка, особенно в секторе общего освещения. Исследования специалистов показывают, что к 2025 году 60 процентов роста ВВП обеспечат 600 городов мира, в которых будут проживать 50% населения земли (см. рис. 2).

Наиболее интенсивный рост городского населения будет идти в развивающихся регионах планеты. В 2007 году на долю 380 городов развивающегося региона из 600 (по объему ВВП) приходилось 50% мирового ВВП. К 2025 году к этому списку прибавятся 136 новых городов из развивающихся регионов, в основном китайские (100 новых городов). В их числе Харбин, Гуаньчжоу, Шанту. Впрочем, такие тенденции наблюдаются и в других регионах планеты. Индия добавила в этот список 13 новых городов, среди которых Хайдарабад и Сурат. Латинская Америка внесла свой вклад 8 городами, такими как Канкун и Баранкиллья. Стремительный рост в городах развивающихся регионах обязан, прежде всего, росту ВВП на душу населения, нежели самому росту населения (см. рис. 3).

Расширение автомобильного сектора освещения стало следствием роста мировой экономики, оказавшее безусловное влияние на автомобильный рынок в целом. С 2009 года китайский авторынок стал самым большим в мире, а рост оборота автомобильных рынков развивающихся стран превышает аналогичный в развитых европейских странах и Северной Америке (примерно 6% ежегодного роста в развивающихся странах против 2% роста в развитых за период с 2011 по 2020 гг.). Тем не менее, тенденция на автомобильном рынке проявляется в стремлении к уменьшению стоимости продукции, что дает автомобильному сектору освещения не столь яркие показатели.

Мировой рынок освещения. Энергосбережение и всемирная борьба с CO2

На сегодняшний день, истощение природных ресурсов и изменение климата являются двумя самыми крупными мировыми проблемами. И хотя последний вопрос является несколько спорным, истощение энергетических ресурсов вполне очевидно и не требует дополнительных доказательств. При анализе деятельности по борьбе с парниковым эффектом было выявлено, что замена источников света на более энергоэффективные не только приносит ощутимую прибыль, но и снижает выбросы углекислого газа в атмосферу. Впрочем, это единственный прибыльный вид борьбы с парниковым эффектом, другие оказывают негативное влияние на экономику (см. рис. 4).

Экономическая прибыль от замены ламп накаливания на светодиодные с ежегодным уменьшением выбросов углекислого газа к 2015 году составит 140 евро за тонну. Подобное уменьшение выбросов с помощью использования солнечной энергии принесет всего 80 евро за тонну углекислого газа (см. рис. 5).

При этом замена традиционных источников света на светодиодные обойдется вдвое дешевле установки солнечных батарей. Таким образом, светодиодные технологии являются более перспективными в плане дальнейших государственных инвестиций.

Мировой рынок освещения. Разнообразие

Из всей электронной промышленности светотехническая наиболее раздробленная и многогранная, так как освещение используется в разных сферах деятельности. Но основных направлений всего четыре, которые, пересекаясь, образуют огромное количество вариаций (см. рис. 6).

Первое, и наиболее сложное направление - приложения. Как уже говорилось выше, существуют три основных сектора рынка - общее освещение, автомобильное и подсветка. Кроме того, есть и другие - индикация промышленных приборов, светофоры, сигналы и т.д. Но даже в самих секторах существует разделение по областям применения. Например, общее освещение делится на освещение промышленных объектов, жилых помещений, магазинов.

Второе направление - технология источников света. Данная область представлена семью основными технологиями: лампы накаливания, галогенные, LFL (линейные люминесцентные лампы), CFL (компактные люминесцентные лампы), газоразрядные лампы высокого и низкого давления, светодиодные и OLED-светильники. Из сопутствующих технологий стоит отметить также и металлогалогенные, флуоресцентные с холодным катодом и натриевые лампы низкого давления.

Третьим направлением являются особенности географического положения, особенно для общего освещения. Правила эксплуатации и требования к напряжению во всех регионах планеты разные. То же самое касается и цветовых пристрастий. Европейские потребители, например, отдают предпочтение теплым оттенкам, что стимулирует сектор галогенных источников света. Азиатский рынок отдает меньшее предпочтение теплым цветам и поэтому преимущество здесь у флуоресцентных ламп.

Четвертым направлением является структура рынка общего освещения. В осветительной промышленности задействованы специалисты самых различных профессий, - от строителей до разработчиков концепций освещения и даже представителей государственных структур. Это делает рынок освещения чрезвычайно мобильным, изменчивым и неоднозначным. И на фоне всего этого многообразия идет стремительное наступление светодиодов, в корне отличающихся от традиционных источников света и меняющих осветительную промышленность, ее масштабы и роль отдельных секторов.

Мировой рынок освещения. Светодиодная революция

В течение долгого времени осветительная промышленность считалась консервативной и достаточно стабильной в сравнении с другими - электронной, автомобильной. Десятки тысяч лет люди использовали в качестве света огонь. Так продолжалось вплоть до XIX века, пока не была изобретена лампочка. В следующий раз знаменательное событие в освещении произошло в 20-х годах прошлого века с изобретением флуоресцентной лампы, более долговечной и эффективной. Светодиоды, основу которых составляют полупроводниковые материалы, способные излучать свет, появились в начале 60-х годов. Вся цветовая гамма, вкупе с низким потреблением энергии и все уменьшающейся стоимостью позволили с полной уверенностью называть их четвертым поколением освещения, которое может полностью перевернуть рынок.

Мировой рынок освещения. Тенденция к сокращению расходов на освещение

Теоретически, светодиодное освещение может стать самым дешевым из всех видов освещения, используемых сегодня. Согласно дорожной карте производства светотехнической продукции, разработанной Министерством энергетики США (DOE), стоимость готового светодиодного светильника и его комплектующих будет ежегодно сокращаться на 30% в период с 2011 по 2016 и на 10–15 % с 2016 по 2020 годы. Экстраполируя данные выводы, можно сказать, что к 2016 году светотехническая продукция будет стоить в пять, а в 2020 в десять раз дешевле, чем в 2011 году (см. рис. 7).

С каждым годом прогнозы снижения стоимости становятся все смелее. Так, прогноз стоимости 2009 года Министерства энергетики США для среднестатистического светодиодного светильника составил 4 долл. за килолюмен, 3 доллара в 2010 и упал до 2 долл. за клм в 2011. Ключевых стимулов для снижения стоимости всего два. Первый - увеличение яркости излучаемого света (измеряется в люменах) по отношению к потребляемой энергии (измеряемой в ваттах), то есть, светоотдача. Второй - уменьшение производственной стоимости единицы светодиодной продукции.

Мировой рынок освещения. Стремительный рост автомобильного сектора светодиодного освещения

В 2010 году доля автомобильного сектора светодиодного освещения составляла 12%, большая часть которых приходилась на подсветку стоп-сигналов, индикации и других приложений красного цвета. В 2011 году, с принятием ряда законов в европейских странах и США, светодиоды стали активно применяться в дневных ходовых огнях, которые стали неотъемлемым атрибутом дизайна в таких автомобилях как Ауди и БМВ. Светодиоды также штурмуют и головной свет, но ксеноновые и галогенные лампы пока прочно держат позиции благодаря гораздо более низкой стоимости.

Мировой рынок освещения. Главная цель - общее освещение

Светодиоды уже широко осваивают сектор общего освещения - главное направление всего рынка. В 2010 году доля светодиодов здесь была сравнительно мала - всего 7%. Главная причина - высокая стоимость. Но при этом RGB-светодиоды уже успешно используются в архитектурном освещении, так как имеют очевидные преимущества перед конкурентами. Белые светодиоды также продолжают наращивать свое присутствие в данном секторе освещения. В результате тенденций к существенному удешевлению и энергосбережению, доля светодиодов в секторе общего освещения к 2016 году составит 43%, а к 2020 - 65%.

Внедрение светодиодных технологий, в конце концов, кардинальным образом изменит всю структуру осветительной промышленности. Оно коснется всей производственной цепочки - от разработки новых перспективных технологий, до сбыта готовой продукции.

С захватом рынка общего освещения светодиодными технологиями в добывающей промышленности грядут серьезные перемены. Методика изготовления светодиодных источников света кардинально отличается от производства всех остальных - ламп накаливания, флуоресцентных, газоразрядных и других.

Это приведет к развитию новых видов промышленных производств, а также перевороту в традиционной структуре существующей промышленности. В прошлом, ограниченный возможностями красных и слабо-ярких зеленых светодиодов, рынок освещения занимал скромную нишу. За последние 15 лет, после изобретения в 1995 году голубых светодиодов, расстановка сил кардинально поменялась. С 1995 по 2005 годы, после интенсивной информационной войны все производство сверхъярких белых светодиодов сосредоточилось в руках горстки компаний, защитившихся соответствующими патентами.

С 2005 по 2010 главной сферой применения светодиодов была подсветка мобильных телефонов и ноутбуков. Часть корейских и китайских компаний, получив лицензию большой пятерки, отбили себе кусок рынка благодаря возможности производить более дешевую светодиодную продукцию. В 2010 году, с увеличением габаритной яркости светодиодов, на рынке появились первые большие ЖК-телевизоры со светодиодной подсветкой. Самые крупные производители ЖК-панелей принялись щедро инвестировать в светодиодную индустрию, предвкушая высокий спрос на свою продукцию. Они быстро скупили установки для МОС-гидридной эпитаксии и в сжатые сроки завоевали большую часть производственного рынка светодиодов.

Большая часть компаний производителей, занятая в сфере освещения, стремится занять нишу на рынке общего освещения, поскольку ожидается, что светодиодный бизнес в ближайшее время обретет вес и солидность. Еще большее значение эта тенденция приобрела после стагнации производства светодиодной подсветки в ЖК-телевизорах, а производственные мощности по изготовлению чипов подложек и комплектующих перенастроились на сектор рынка общего освещения. И сейчас участники этого сектора рынка в выигрыше, поскольку для производства мощных светодиодов требуется большее количество сложных технологий и специальных приложений, чем для подсветки. Впрочем, развитие технологий монтажа кристаллов на подложку (multichip-on-board) дает возможность создать стартапы многим производителям полупроводниковой продукции.

Мировой рынок освещения. Следующим стандартом станут светодиодные источники света

Несколько десятилетий значительную долю рынка традиционных источников света - 60-70% - удерживали три крупных игрока. Производство традиционных ламп уже давно стало стандартным. Это значит, что большинство компаний делает взаимозаменяемые лампы стандартных размеров и яркости. Традиционный источник света уже давно стал товаром народного потребления, и его производство стремится к монополизму, что характерно для всех товаров народного потребления, будь то машины или стекло.

Светодиодное освещение нарушает эти традиции по всем фронтам, заставляя по-новому взглянуть на существующие стандарты. Светодиодное освещение еще развивается как новый источник в общем освещении, но уже сейчас понятно, что производство светодиодных источников света в корне отличается от традиционного. Функциональность светодиодного модуля (источника света) такая же, как и у традиционных ламп в обычном освещении. Несмотря на это, стандарты для светодиодных модулей все еще не разработаны, и рынок светодиодного освещения по умолчанию пользуется обычными стандартами. Отсутствие стандартов для светодиодного освещения объясняется его качествами, такими как долговечность, компактность и направленностью светового потока. Как источник света светодиод гораздо долговечнее ламп и полностью исключает необходимость замены, что ведет к интеграции источника света и осветительного устройства в единое целое. Дизайн в обычных источниках света, как правило, касался только самого устройства, не затрагивая при этом лампы. С появлением светодиодов дизайн может быть гораздо более гибким и разнообразным. Обсуждение проблемы стандартизации общего светодиодного освещения неоднократно поднималось рядом профильных организаций, таких как Zhaga Consortium. Нехватка стандартов вредит развитию промышленности. Она мешает производителям, дизайнерам и разработчикам светотехники скоординировать и объединить усилия в производстве готовой энергоэффективной и качественной продукции. Например, одной из целей Zhaga Consortium является определение интерфейса светового прибора (и отдельно для модуля) по четырем физическим показателям: механическому, температурному, электрическому и фотометрическому. Сегодня все 140 членов консорциума активно обсуждают эту тему.

Степень стандартизации может меняться в зависимости от тех областей, где будут применяться светодиоды. С одной стороны, это стандартные светотехнические приборы, которые потребители смогут заменить сами. С другой - это разработка уникальных светотехнических решений по индивидуальному заказу. И в том, и в другом случае всей цепочке производства необходимо работать синхронно.

Компании, которые являются конечными в цепочке производителей светотехнической продукции, ищут новые перспективные возможности вне сфер своей деятельности.

С появлением светодиодных технологий и общей тенденции к энергоэффективности многие компании светотехнического рынка в поисках перспективных возможностей развития бизнеса стали активно включаться в производственную цепочку. На сегодняшний день рынок готовых светотехнических изделий чрезвычайно раздроблен, пока объединение рынка в единое целое маловероятно.

Одной из наиболее перспективных возможностей для компаний, которые являются конечными в цепочке производителей светотехнической продукции, является разработка светотехнических решений. В будущем этому сектору рынка предрекают небывалый рост.

Что касается сектора рынка компонентов управления системами освещения, сегодня его оборот, по самым грубым оценкам составляет 2 млрд евро. Ожидают, что к 2016 году он вырастет до 4 млрд евро, а в 2020 будет равен 7 млрд.

Традиционно сфера бизнеса светотехнических решений принадлежала компаниям, занимающимся разработкой систем управления освещением. Сегодня, увидев для себя неиспользованные возможности, в эту сферу начинают проникать и другие компании, занимающиеся освещением, особенно изготовители осветительных приборов. Также к ней проявляют интерес и строительные компании, считая эту сферу частью общего проектного решения.

Ряд систем управления, такие как система динамического контроля цвета RGB, уже используются в архитектурном освещении. Системы управления цветовой температурой являются относительно новыми и займут определенную нишу на рынке, но пока их использование ограничено студийным и домашним освещением. Системы диммирования раньше использовались в домашнем освещении, но сейчас в целях экономии энергии начинают использоваться и в других видах общего освещения. Еще одной тенденцией является применение систем освещения для контроля биоритмов человека, животных и растений. За счет хорошей управляемости по сравнению с традиционными источниками света светодиодное освещение имеет ряд очевидных преимуществ во всех вышеперечисленных сферах применения.

Мировой рынок освещения. Системы управления цветом RGB

Так как светодиоды расширяют возмож¬ности управления цветом RGB, например, обеспечивают динамический контроль цвета с минимальным временем отклика, создаются новые сферы их применения. В качестве примера можно привести использование в освещении концертных площадок, телестудий, развлекательных комплексов и гостиниц. Кроме того, эти системы контроля используют и в уличных экранах.

Системы диммирования используются в основном в отелях высокого класса, помещениях для деловых встреч и переговоров, для создания в них определенной атмосферы. Эти системы, совмещенные с автоматическими системами переключения (иногда с датчиками, реагирующими на присутствие человека), сегодня также используются для повышения энергоэффективности. Какими бы экономичными ни были флуоресцентные лампы, переход на управляемое светодиодное освещение поможет сберечь еще больше энергии. Как правило, почти 30% энергии тратится зря, освещая пустые помещения. И здесь применение систем диммирования получилось бы очень актуальным. Еще один пример - автозаправочные станции. Как правило, они очень ярко освещены, независимо от того, заправляется кто-то или нет. Системы диммирования могут автоматически контролировать яркость в зависимости от присутствия или отсутствия клиентов.

Подсветка используется на предприятиях по выращиванию растений, парниках или садах для стимуляции их роста. Дефицит продуктов питания, а также риск загрязнения и заражения грунтовых овощей и фруктов значительно повысил спрос на предприятия, искусственно выращивающие растительную пищу.

Освещение животноводческих ферм и птицефабрик способствует сохранению жизни и здоровья животных. С человеком сложнее. Свет запускает множество различных механизмов, управляющих здоровьем и настроением человека, его мотивацией и способностью решать определенные задачи. Новые системы освещения сыграют значительную роль в северных странах, где зимние ночи длятся сутками.

Мировой рынок освещения. Рынок освещения взял курс на энергосбережение

В настоящее время самыми продаваемыми на рынке освещения являются лампы накаливания. Их доля на рынке общего освещения (по количеству единиц) составляет 52% (12% денежного оборота). За ними следуют флуоресцентные лампы, самые большие по денежному обороту, с 50-% долей по количеству единиц.

Существуют два вида флуоресцентных ламп: линейные, преимущественно использующиеся в офисных помещениях, и компактные, которыми можно заменить лампы накаливания. Доля линейных люминесцентных ламп по количеству продаваемых единиц составляет 16% (19% по денежному обороту), в то время как доля компактных - 17% (31% по денежному обороту). Благодаря запрету ламп накаливания во многих странах мира и широкой государственной поддержке, объемы продаж компактных люминесцентных ламп за последние несколько лет существенно выросли. Доля других – галогенных и газоразрядных ламп - по количеству проданных единиц составляет 12 и 2 процента соответственно, 10 и 14% соответственно по обороту денежных средств.

Хотя лампы накаливания лидируют по количеству продаваемых единиц, они являются самыми малоэффективными. Их светоотдача колеблется от 10 до 19 лм/вт. Светодиодные источники света гораздо эффективнее: 60 - 120 лм/Вт. Энергоэффективность других, не светодиодных источников света, например, компактных люминесцентных ламп равна 40–70 лм/Вт., линейных (типа Т-8) от 35 до 87 лм/Вт.

Энергоэффективность газоразрядных ламп достигает 115 лм/Вт. И это еще не предел. Понимая необходимость энергосбережения в условиях жесткой конкуренции, разработчики всех источников света совершенствуют характеристики своей продукции. Будущее технологическое разделение будет смещаться в сторону отличных от светодиодов экологически чистых энергоэффективных технологий до тех пор, пока цены на светотехническую продукцию не станут боле менее приемлемыми, а это ожидается лишь к 2016 году. В то время как доля ламп накаливания на рынке общего освещения будет неуклонно снижаться - до 9% по количеству про¬даваемых единиц, доля всех энергоэффективных источников света вырастет. Доля КЛЛ, например, вырастет с 17 до 25%, галогенных - до 22%.

Мировой рынок освещения. Будущее рынка общего освещения

Общее освещение состоит из семи различных приложений. Первые шесть - домашнее, офисное, гостиничное, промышленное, магазинное и уличное определяются типом расположения и особенностями зданий, в которых они применяются. Седьмое - архитектурное - в контрасте с первыми шестью в большей степени функциональное, созданное для декоративных целей и формирования настроения. Доля рынка и траектория развития у всех семи приложений разные. Их определяют особенности применения того или иного приложения, а также особенности эксплуатации осветительных приборов.

С тех пор как количество жилых домов стало составлять 70% от числа всех построенных зданий, домашнее освещение выбилось в абсолютные лидеры. Его доля рынка составляет 40%, при этом средняя стоимость домашних светильников достаточно низкая. За ним следуют офисное и уличное освещение с 10% долями каждое. Освещение магазинов и гостиниц хотя и уступает вышеперечисленным приложениям, особенности применения осветительных приборов, а также частая смена увеличивает их оборот на рынке общего освещения.

Доля рынка светодиодного освещения для каждого из приложений складывается исходя из многих факторов. Это различные требования, барьеры, региональные, национальные и ряд других. Все это, в конечном счете, определяет долю каждого приложения на рынке светодиодного освещения и размер рынка. Рассмотрим прогнозы для каждого приложения в отдельности.

Мировой рынок освещения. Архитектурное освещение

В сфере архитектурного освещения светодиоды прижились раньше всех. Уже в 2011 году их доля в этом сегменте рынка освещения составляла 40%. Через пять лет, в 2016 году, по прогнозам экспертов, она достигнет 74%, а к 2020 году - 86%. Одним из самых больших преимуществ светодиодов является возможность управления цветом. В традиционном освещении для этого использовались цветные пленочные фильтры, очень дорогие в плане технического обслуживания.

Кроме того, в обычном освещении ограничены скорость цветового контроля и гибкость использования. Преодолев эти трудности, светодиодные технологии в архитектурном освещении пошли дальше, создав новые виды приложений - медиафасады. Их особенностью является сочетание дизайна самого здания с ярким интерактивным освещением. Это означает принципиально новый подход к взаимодействию зданий и сооружений с окружающей средой. Медиафасад придает зданию необычайно красивый облик, а также несет в себе мощную информативную нагрузку.

Мировой рынок освещения. ЖКХ освещение

В настоящее время в ЖКХ-освещении все регионы планеты используют разные источники света. В количественном отношении, конечно, преобладают лампы накаливания, в то время как количество галогенных и флуоресцентных ламп варьируется в зависимости от страны. Европейцы, предпочитающие более теплый свет, больше тяготеют к галогенным лампам. Азиатам это не принципиально, и там преобладают флуоресцентные.

Основная тенденция в ЖКХ-освещении сегодня - увеличение доли флуоресцентных ламп. Это связано с инфляцией и повышением прожиточного минимума. Однако цветопередача у них гораздо хуже, и это является серьезным препятствием для проникновения в те сферы, где это необходимо. Особенно это касается европейских потребителей. В сферу ЖКХ светодиодные технологии приникают гораздо медленнее, чем в архитектурное освещение. Доля светодиодов на рынке ЖКХ освещения составляет 6%, и такое положение вещей сохранится вплоть до 2016 года. Секрет в том, что рынок ЖКХ-освещения очень чувствителен к ценам на источники света, а пока светодиодные источники гораздо дороже остальных, их доля в данном сегменте рынка освещения останется неизменной. Тем не менее, светодиодное освещение по мере снижения стоимости все активнее участвует в процессе модернизации и инсталляции новых осветительных систем.

Мировой рынок освещения. Офисное освещение

В офисном освещении львиную долю занимают флуоресцентные лампы, за исключением офисов, расположенных в суперсовременных бизнес-центрах и небоскребах, тяготеющих к более теплому свету и светильникам с оригинальным дизайном. Доля других технологий варьируется в зависимости от той или иной страны. Из-за привлекательной цены флуоресцентные лампы будут господствовать в этом сегменте рынка еще довольно долго, вплоть до 2016 года. Серьезной проблемой для светодиодных технологий в этом сегменте также стал «принципал-агент конфликт» (за исключением тех зданий, в которых изначально предполагалась инсталляция светодиодных светильников), когда проектировщикам невыгодно энергосбережение. Доля светодиодов в этом секторе небольшая, всего 2 процента. К 2016 году, как ожидается, она вырастет до 30%, а в 2020 станет равна 52%.

Мировой рынок освещения. Освещение магазинов и супермаркетов

В этом сегменте множество разнообразных сфер применения, начиная с супермаркетов, в которых преимущественно используются линейные компактные флуоресцентные лампы (LFL и CFL) и заканчивая модными бутиками, в дизайне освещения которых применяются и лампы накаливания, и галогенные источники света. Пользователи ламп накаливания и галогенных ламп предъявляют высокие требования к качеству светового потока с высоким индексом цветопередачи (CRI), цветовой насыщенности и к управлению освещением. Светодиоды пока еще не дотягивают до этих запросов. Однако с каждым годом их качество улучшается. Так, их индекс цветопередачи равен 90. Как только стоимость светодиодов станет значительно меньше, то в сочетании с другими преимуществами, такими как низкое энергопотребление, меньший нагрев и большая гибкость для дизайнерских решений, они с легкостью потеснят галогенные лампы и лампы накаливания. Из-за той же пресловутой стоимости светодиоды все еще проигрывают и флуоресцентным лампам, хотя по многим характеристикам они лучше последних. Впрочем, ряд крупных торговых розничных сетей, таких как Starbucks и Walmart, широко используют светодиодные технологии из-за низких затрат на их техническое обслуживание. В настоящий момент доля светодиодных технологий в сегменте рынка освещения магазинов и супермаркетов составляет 2%, однако, по прогнозам аналитиков, к 2016 году она вырастет до 50 процентов, а к 2020 станет равна 78%.

Мировой рынок освещения. Гостиничное освещение

Сегмент гостиничного освещения достаточно сложен, от отелей среднего и высшего класса, использующих лампы накаливания и галогенные, до дешевых, довольствующихся светом флуоресцентных ламп. Доля светодиодов в этом сегменте рынка составляет 10 процентов. По прогнозам специалистов, к 2016 она вырастет до 50 процентов, в 2020 составит 80 процентов. Подобно освещению респектабельных магазинов, освещение отелей премиум класса также требовательно к качеству света, до которого светодиоды еще пока не дотягивают. Впрочем, здесь у них одно важное преимущество: возможность управления светом (димминг, например). Это делает их привлекательными для таких сетей гостиничных комплексов, где требуется круглосуточное освещение. Вкупе с постоянно улучшающимся качеством светодиодного света, эти преимущества могут значительно расширить долю светодиодных технологий в этом сегменте рынка.

Мировой рынок освещения. Промышленное освещение

Сегодня в промышленном освещении используют две основных технологии: газоразрядные и линейные люминесцентные лампы (LFL). Доля светодиодов в этом сегменте рынка менее 1%. Их главный козырь - общая стоимость собственности (TCO). Светодиоды могут значительно снизить затраты на техническое обслуживание, особенно в труднодоступных местах и в помещениях с высокими потолками, там, где замена вышедших из строя светильников стоит гораздо дороже. Но и здесь светодиодам приходится конкурировать с флуоресцентными и газоразрядными лампами, такими же надежными и энергоэффективными, но более дешевыми. По оценкам специалистов, к 2016 году их доля не будет превышать 20%. К 2020 светодиоды смогут выйти на уровень 40%.

Мировой рынок освещения. Уличное освещение

Большую часть сегмента уличного освещения также занимают газоразрядные (ртутные, металлогалогенные, натриевые высокого и низкого давления) и люминесцентные лампы. Натриевые лампы выгодно отличаются ценой и долговечностью, однако проигрывают по качеству цветопередачи. Впрочем, на их позиции в ближайшей перспективе это не повлияет, несмотря на усиление позиций светодиодных источников света. Как и в индустриальном освещении, основным катализатором увеличения доли светодиодных технологий стала общая стоимость собственности (ТСО). Уличное освещение монтируется на значительных высотах, и выгода от использования светодиодных светильников гораздо больше, чем в промышленном секторе. В настоящее время доля светодиодов в сегменте уличного освещения составляет около 5%. К 2016 году она увеличится до 40%, в 2020 году достигнет 70%. Причиной столь оптимистичных прогнозов являются правительственные инициативы по уменьшению выбросов углекислого газа в атмосферу. А уличное освещение практически целиком принадлежит государству, которое и будет принимать решение на внедрение тех или иных экологически чистых технологий. У светодиодов здесь явное преимущество.

Мировой рынок освещения. Азия лидирует на рынке общего светодиодного освещения

Азия является самым большим рынком общего освещения. Ее доля - 35% мирового рынка освещения. Это объясняется стремительным развитием экономики Азиатско-Тихо-океанского региона, прежде всего, Китая. К 2020 году доля азиатского рынка, как ожидается, составит почти половину (45%) от мирового. Европа и Северная Америка сохранят свои позиции на уровне 20 и 25% соответственно. Доля остальных стран будет
ничтожна.

Главная причина такого распределения - объемы инвестиций в капитальное строительство. В азиатских странах доля инвестиций составляет 35%, в Европе - 27%, США и Канаде - 17%. Кроме того, темпы роста азиатского рынка выше, чем в остальных регионах, особенно благодаря Китаю и странам, не входящим в ШОС. По оценкам специалистов, их рост в период с 2010 по 2016 составит 13 и 12% соответственно. Для сравнения, рост рынка освещения в Западной Европе за аналогичный период составит меньше 2%.

Доля светодиодных технологий различается в зависимости от страны и зависит от таких факторов как государственное регулирование, экономическое развитие и предпочтение источников света. Сильнее всех на развитие технологий влияет государственное регулирование. Серьезный акцент на проблемы изменения планетарного климата заставляет государство активно заниматься этим вопросом. В результате чего, лампы накаливания, в течение века господствовавшие на рынке освещения, были сняты с производства и запрещены во многих странах.

Исследования показывают, что внедрение светодиодных технологий в разных странах и уголках планеты может отличаться, однако пока их долевое увеличение в США, Европе и Азии однородно и примерно равно 7%. В ближайшее время азиатский рынок освещения будет отставать от европейского и американского по темпам увеличения доли светодиодных технологий. Это вызвано особенностями экономического развития азиатского региона. Однако это не помешает ему оставаться самым большим рынком освещения с долей 35% от мирового. И, по прогнозам аналитиков, его позиции будут лишь укрепляться. К 2020 году азиатский рынок светодиодного освещения достигнет оборота в 26 млрд евро. За ним будут следовать Европа и США с оборотом 14 и 10 млрд соответственно.

При более тщательном исследовании тенденции отличаются в зависимости от страны. В Северной Америке доля светодиодов на рынке освещения равна 7 % и составляет 1 млрд евро. Основную часть оборота дает рынок инсталляции световых приборов при поддержке ряда государственных инициатив вроде программы LEED (в переводе на русский означает «Руководство в энергетике и наиболее приемлемом, с точки зрения экологии, проектировании»). Несмотря на запрет ламп накаливания с 2012 года, доля светодиодных технологий в секторе рынка замены источников света будет расти медленно. В большинстве штатов США цены на электроэнергию и флуоресцентные лампы достаточно малы, что сильно нивелирует достоинства светодиодных ламп. Однако с уменьшением стоимости их доля неизбежно увеличится.

В Европе соотношение долей светодиодных технологий и общего освещения такое же, как в США и равно 7%, то есть 1 млрд евро. Основной сферой применения светодиодных технологий в Европе является архитектурное освещение. Здесь стало модным освещать фасады зданий разноцветным светом, где светодиоды имеют значительные преимущества. Запрет на лампы накаливания (который будет введен уже в 2012 году) - еще один ускоритель развития светодиодных технологий, в особенности белого цвета, который вкупе с растущими ценами на электроэнергию способен сильно увеличить их долю на общем рынке освещения.

Доля азиатского рынка, как уже говорилось ранее, самая большая в мире как на рынке общего освещения, так и в светодиодном секторе. Благодаря мощной государственной поддержке оборот рынка освещения равен европейскому и американскому. Львиная доля успеха принадлежит Китаю. Он лидирует в двух секторах: уличном и архитектурном освещении. Благодаря государственным инвестициям в уличное освещение доля светодиодных технологий в нем к 2015 году увеличится до 30%. Однако за счет ЖКХ-освещения общий оборот рынка светодиодных технологий в Китае несколько ниже европейского. Впрочем, благодаря большим объемам производства, к 2020 году доля Китая в обороте мирового рынка общего светодиодного освещения составит 20% или 11 млрд евро.

Светодиодные технологии в Японии первыми освоились в секторе модернизации освещения. Основных причин две. Во-первых, компактные люминесцентные лампы в Японии дороже, чем в Китае, в 6 раз. Светодиодные лампы получаются доступнее. Во-вторых, авария на АЭС Фукусима-1 привела к ужесточению требований к энергосбережению. Однако большая часть рынка все еще принадлежит флуоресцентным лампам, даже в секторе ЖКХ-освещения, что может стать дополнительным барьером для экспансии светодиодов на японский рынок освещения. В остальных странах мира (Ближнем Востоке, Латинской Америке, Африке) доля светодиодов на рынке освещения сравнительно мала, как, впрочем, и сам рынок. И, тем не менее, внедрение светодиодных технологий неизбежно произойдет и здесь, только оно будет идти крайне медленно.

Мировой рынок освещения. Структурные изменения: рынок инсталляции новых световых приборов обгонит рынок замены существующих световых приборов

Как уже говорилось выше, мировой рынок освещения смещается от ламп накаливания со сроком службы в 1000 ч к энергоэффективным и гораздо более долговечным (в десятки раз) источникам света - светодиодным и флуоресцентным лампам. Эта тенденция приведет к уменьшению доли рынка, производящего замену существующих источников света, и увеличению доли рынка производства новых систем освещения. И даже несмотря на то, что средний срок службы светодиода как источника света исчисляется десятками лет, рынок от этого не пострадает. Это объясняется тем, что в разных сегментах рынка освещения частота замены источников света отличается. В уличном освещении светильники работают десятками лет, а в каком-нибудь модном бутике в рекламных целях освещение меняется каждый месяц.

В результате эти изменений развитие сегмента рынка инсталляции освещения будет интенсивнее, чем в сегменте замены источников света, потому что встроенные светодиодные светильники имеют больше преимуществ перед заменяемыми светодиодными лампами, даже несмотря на высокую стоимость. Одним из таких преимуществ является возможность управления цветовой гаммой в архитектурном освещении, где замена ламп была бы проблематичной. Еще в качестве примера можно привести хай-бэй лампы, подводные и встроенные в пол. В этих случаях проще и дешевле заменить все целиком, чем менять по одной лампочке.

Пока доля светодиодов в сегменте рынка инсталляции световых приборов составляет всего 7%, но уже к 2020 году вырастет в 10 раз. Вместе с тем, такие изменения на рынке освещения неузнаваемо преобразят всю производственную цепочку. Конечно, пока не отработаны стандарты, нет унификации производственного процесса. Однако столь серьезные перемены скажутся на всех участниках рынка освещения, потребовав от них новых стратегических бизнес-решений.

Революционное развитие технологий в области наружного освещения позволяет существенно сократить энергопотребление за счет рационального управления, применения инновационных, перспективных энергосберегающих технологии с применением различных типов светильников.

В последние десятилетия проблема энергосбережения в области освещения становится все более актуальной из-за роста вероятности дефицита энергии. Общая доля мирового производства электроэнергии, затрачиваемая на освещение, доходит, по разным источникам до 20—30%, и значительная ее часть приходится на наружное освещение (НО).

В проекте Федерального закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» закладываются основы государственной политики в этой области, при этом большое внимание уделено разработке программ повышения энергетической эффективности в основных отраслях и определение потенциала энергосбережения.

Ведущие компании в области освещения проводят исследования и разработки с целью создания технологий управления энергосбережением в области НО. Реализация таких технологий обеспечивается благодаря применению современных автоматизированных систем управления.

В настоящее время, несмотря на значительный прогресс в области создания энергосберегающих источников света, создалась достаточно стабильная ситуация по использованию современных ламп для наружного освещения. Основные типы источников света, применяемые в этой области, представлены в таблице 1.

Не вдаваясь в подробности сравнения различных типов источников света, необходимо отметить, что революционные сдвиги во внутреннем освещении зданий в настоящее время существенно опережают аналогичные процессы в области наружного освещения. Наиболее распространенным источником света во внутреннем освещении, как для промышленных, так и для бытовых целей, являются газоразрядные люминесцентные лампы низкого давления подключаемые, как правило, через электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА). Широко распространено управление световыми сценариями, обеспечивающее, в том числе и энергосбережение. Для этого применяются различные проводные (DALI, DSI, 1-10V) и беспроводные интерфейсы.

В наружном освещении применяются натриевые лампы высокого давления (НЛВД), а также, в отдельных случаях, более дорогие металло-галогенные лампы (МГЛ), обладающие спектром, более близким к спектру излучения Солнца. Оба типа ламп, оснащаются электромагнитной, либо электронной пускорегулирующей аппаратурой.

В отдельных случаях находят применение светодиодные светильники, однако, как следует из таблицы, от них в настоящее время не следует ожидать существенной экономии электроэнергии.

Предпосылки внедрения технологий управления энергосбережением.

Внедрение энергосберегающих технологий с каждым годом становится все актуальнее. Известны несколько программ, реализованных в Европе и в Северной Америке и направленных как на увеличение экономичности собственно светильников, так и на обеспечение энергосберегающих способов управления.

Рассмотрим возможности управления энергосбережением в наружном освещении. Типовая для России и для ряда других стран схема установка наружного освещения включает в себя трансформаторную подстанцию, преобразующую трехфазное напряжение 6/10 кВ в трехфазное напряжение 220/380 В, пункт включения освещения (ПВ), осуществляющий управление, контроль и энергоучет в сетях освещения и собственно линии НО. В линиях освещения устанавливаются светильники с лампами высокого давления (как правило, НЛВД и МГЛ). Лампы, подключаются по схеме «звезда», т.е. между одним из фазных и нулевым проводом сети. В «обычном» исполнении для обеспечения нормального режима работы НЛВД (МГЛ) в светильник устанавливается электромагнитный пускорегулирующий аппарат (ЭмПРА). ЭмПРА содержит импульсное зажигающее устройство, обеспечивающее начальный поджиг заряда в лампе, балластный дроссель, согласующий нелинейное сопротивление лампы с сетью 220 В и конденсатор, обеспечивающий приемлемый коэффициент мощности.

Возможности экономии электроэнергии в типовых установках НО минимальны. Традиционный до недавнего времени способ экономии энергопотребления при управлении такими установками, заключался в отключении 1/3 или 2/3 светильников в ночное время (на 4—5 часов), когда снижается активность городского населения и интенсивность дорожного движения. Такое пофазное отключение обеспечивает суммарную экономию электроэнергии до 30% и симметричность загрузки трехфазных линий сетей НО при подключении к одному пункту включения нескольких линий наружного освещения. Однако в настоящее время этот способ не признается целесообразным и не рекомендуется для использования международным комитетом по освещению (МКО), в основном, ввиду негативного влияния на безопасность дорожного движения. В Москве и Санкт-Петербурге уже несколько лет такой ночной режим освещения не используется.

Анализ вариантов энергосбережения

Анализ традиционной схемы НО показывает, что возможными резервами по управлению энергосбережением могут быть:

1. стабилизация напряжения;

2. увеличение КПД ПРА;

3. диммирование.

В первом случае экономия достигается стабилизацией режима работы каждой лампы групповым или индивидуальным способом, компенсируя нестабильность напряжения в сети, которая может доходить до ±15%.

Во втором случае достигнуть экономии возможно за счет использования более эффективных балластов, необходимых для питания НЛВД и МГЛ, а именно ЭПРА. Кроме того, более эффективное использование ламп высокого давления может достигаться за счет повышенной отдачи ламп при питании их от ЭПРА за счет отсутствия эффекта так называемого «перезажигания» в каждый полупериод питающего напряжения.

В третьем случае энергосбережение достигается за счет регулировки режима работы ламп (диммирования) в так называемом «ночном» режиме работы. При этом, целесообразным считается обеспечение глубины регулирования светового потока ламп до 50%, что может обеспечить экономию потребляемой мощности по сравнению с полным режимом освещения до 45% . Общее уменьшение энергопотребления за счет того, что ночной режим составляет около половины от всего времени работы ламп, может достигать 25%. МКО признает предпочтительным такой способ регулирования при снижении интенсивности дорожного движения в ночное время.

Суммарный резерв по снижению энергопотребления в сетях НО, таким образом, приближается к 50%.

Рассмотрим несколько методов управления линиями НО с точки зрения энергосбережения.

1. Традиционная схема трехфазной установки НО с обычными светильниками с ЭмПРА и возможностью уменьшения освещенности за счет отключения в ночное время 1/3 или 2/3 светильников, что не признается целесообразным и поэтому в нашем анализе не рассматривается.

2. Схема с двойным количеством светильников (по два на опору), половина из которых в ночном режиме отключается. Схема довольно проста, однако требует больших затрат при монтаже, а также в эксплуатации.

3. Схема со светильниками с двухрежимными ЭмПРА, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 30% за счет подключения в каждом светильнике в ночном режиме дополнительного балластного дросселя. Исторически это были первые на Европейском рынке энергоэкономичные устройства, обеспечивающие снижение энергопотребления без частичного отключения светильников. Необходимо учитывать, что такая схема существенно снижает надежность ЭмПРА и требует использования дополнительного компенсирующего конденсатора, а также линии управления.

4. Схема с симисторными регуляторами, обеспечивающими фазовое регулирование напряжения линии освещения с изменением формы питающего напряжения. Она обеспечивает уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией суммарного энергопотребления до 35%. При простоте реализации такая схема требует использования дополнительного общего регулируемого компенсатора коэффициента мощности и не нашла широкого применения в НО.

5. Схема со светильниками с ЭПРА, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 40%. Такая концепция впервые позволяла использовать все известные возможности по экономии энергопотребления. Однако, решая проблему управления светильниками, эта схема снижает их надежность и существенно увеличивает их стоимость.

6. Схема с регулятором напряжения в шкафу пункта включения НО, построенная на многообмоточном автотрансформаторе с переключаемыми с помощью симисторов обмотками. Она обеспечивает уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 35%. Схема нашла довольно широкое распространение в Европе, но требует использование дополнительного силового шкафа.

7. Схема с конверторами (или так называемыми «электронными трансформаторами») в шкафу пункта включения НО, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 35%. Реализации такой схемы нам не известны; вероятно, это связано с тем, что весьма затруднительно получить в ней требуемую надежность.

8. Перспективная схема установки НО со светильниками с ЭПРА на линиях постоянного напряжения, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 45%. Являясь модернизацией схемы по п. 5, эта схема имеет повышенную, по сравнению с ней, надежность и меньшую материалоемкость.

9. Установка НО со светодиодными светильниками.

По вариантам 3, 5, 8 и 9, в которых используются регулируемые (диммируемые) светильники, возможны следующие подварианты, связанные с различными способами управления светильниками

а) Управление светильниками по дополнительной командной линии с общепринятыми во внутреннем освещении интерфейсами DALI, DSI, 1-10V или другими проводными интерфейсами.

б) Управление светильниками путем коммутации напряжения (тока) в линии НО.

в) Управление светильниками с помощью PLC или FM-модема.

г) Автономное управление светильниками встроенными таймерами.

Все варианты от 3-го по 9-й представляют собой дополнительный уровень автоматизированной системы управления наружным освещением (АСУНО), а именно групповое и индивидуальное управление регуляторами и светильниками.

Было рассмотрено 20 вариантов и подвариантов управления энергосбережением в линиях НО. Многие из этих вариантов уже реализованы, другие вполне могут быть реализованы, а некоторые, скорее всего, не будут реализованы никогда.

Для обеспечения объективности оценки вариантов нам необходимо учесть все факторы, влияющие на экономическую эффективность внедрения каждой конкретной инновации.

Как уже отмечалось, аналогичная революция в области внутреннего освещения, продолжается уже более 20 лет. На начальной стадии этой революции самые примечательные сдвиги произошли в части широкого применения энергосберегающих светильников с ЛЛ и встроенными ЭПРА, дальнейший прогресс многие исследователи связывают с применением сверхярких светодиодов.

Оценка экономической эффективности

При исследовании возможных вариантов управления была разработана методика оценки эффективности внедрения энергосберегающей технологии в НО.

При проведении оценки эффективности учитывалась разница в показателях между конкретным вариантом и типовым вариантом линии НО. В расчете учитывалось:

Энергопотребление линии НО;

Стоимость силовых и управляющих кабелей;

Стоимость светильников;

Затраты на монтаж линии НО;

Затраты на ремонт и обслуживание линии НО;

Стоимость дополнительного оборудования и материалов.

В оценке были учтены прогнозы по росту тарифов на электроэнергию по РФ на весь расчетный период.

Объектом анализа в проводимом исследовании выступает типовой участок скоростной автодороги, за который принят магистральный отрезок трассы длиной 2 км по 4 полосы в двух направлениях, имеющий 328 светильников, 8,2 км линий освещения и обслуживаемый одной трансформаторной подстанцией и 2-мя шкафами управления НО.

Сравнение вариантов проведено по сроку окупаемости (СО). За период расчета принят промежуток в 6 лет.

Результаты оценки представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты оценки вариантов энергосберегающих технологий
	Варианты технологий	Срок окупаемости, лет	% экономии
	Типовая система
	Двойное число светильников
	2-режимные ЭмПРА
	2-режимные ЭмПРА
	2-режимные ЭмПРА
	2-режимные ЭмПРА
	Фазорегурятор
	Система с ЭПРА
	Система с ЭПРА
	Система с ЭПРА
	Система с ЭПРА
	Переключаемый автотрансформатор
	Конвертор
	Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением
	Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением
	Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением
	Светодиоды
	Светодиоды
	Светодиоды
	Светодиоды

Лучшие сроки окупаемости вариантов 8б и 8в объясняются реализацией максимальной экономии электроэнергии при более высокой надежности ЭПРА в сравнении с другими вариантами.

Очевидно, что варианты 4 и 6 из-за меньшей экономии электроэнергии существенно проигрывают варианту 8 в далекой перспективе. Что касается варианта 5, то его недостаточно высокие показатели могут быть объяснены относительно большей ценой ЭПРА и сравнительно меньшей их надежностью. При отладке серийного изготовления высоконадежных ЭПРА при всех других равных условиях этот вариант, вероятно, сможет по эффективности конкурировать с вариантом 8. Система наружного освещения со светодиодными светильниками (вариант 9) имеет большие начальные затраты (высокая цена светильников) и меньшую экономию электроэнергии в сравнении с другими вариантами, СО такой системы превышает 6 лет. Очевидно, что при таких показателях наибольшее применение в НО светодиодные светильники найдут не в утилитарном освещении, а в архитектурно-художественной подсветке.

Особо следует отметить, что расчеты проводились для нового строительства линий НО, либо их капитальной реконструкции. Внедрение технологий энергосбережения на действующих линиях НО без капитальной реконструкции линий потребует уточняющих расчетов, при этом оценки отдельных вариантов могут претерпеть изменения. Впрочем, такие расчеты необходимы для любого конкретного проекта.

Таким образом в области наружного освещения в настоящее время происходит революционное развитие технологий, связанное с расширением возможностей по экономии энергопотребления за счет рационального управления.

На конкретном примере разработки в области управления энергосбережением впервые проведена технико-экономическая оценка эффекта внедрения различных типов технологий на самом раннем этапе проектирования системы.

Анализ и предварительный расчет экономической эффективности вариантов внедрения энергосберегающих технологий показывает наибольшую перспективность систем освещения с ЭПРА на линиях с постоянным и переменным напряжением, обеспечивающих быструю окупаемость и экономию электроэнергии до 40—45%.

Сразу скажу, что я не занимаюсь профессионально дизайном освещения и я не специалист в этой области. Меня всегда больше интересовали технические вопросы в освещении помещений (светотехнические расчеты,). Хотя я очень люблю красивые интерьеры и могу часами смотреть толстые глянцевые журналы по дизайну помещений, строительству и ремонту с яркими цветными картинками. Особенно мне нравятся журналы с фотопримерами реальных проектов. Мои любимые журналы такого типа - "МажорДом" и "Красивые квартиры".

Листая такого типа журналы, в первую очередь, я обращаю внимаете на то, как организовано освещение в том или ином случае. При этом, как-то незаметно для себя, начинаешь подмечать и четко осознавать общие тенденции в развитии домашнего освещения: какие лампы и светильники используются, как размещаются, как выглядит освещенный интерьер в разных ракурсах и многое другое.

На днях пообщавшись с одной молодой и симпатичной девушкой-дизайнером я пришел к выводу, что со всем, что я ей с энтузиазмом изложил она согласна, определенные тенденции в освещении интерьеров есть и они имеют право быть озвученными. Ну а так, как озвучить все свои мысли я могу через сайт, то сейчас я этим и буду заниматься. Надеюсь вы не останетесь безучастными, а оставите свое мнение по поводу этого материала в комментариях! Мне это очень важно!

Итак, в этой статье я хочу поделится с читателями сайта своими наблюдениями. Какие есть современные тенденции в освещении интерьеров? Каким образом реализуются новые идеи? Какие современные технические решения применяются? Что полезного мы можем получить, реализовав на практике эти современные тенденции светодизайна?

Такие светильники можно поворачивать в любом направлении, при этом изменяя направления света и получая новый вариант освещения комнаты.

Эти новые технические решения позволяют значительно расширить возможность использования освещения в помещениях, так как с помощью одних и тех же светильников можно получить как общее равномерное, так и при желании, направленное освещение. Кроме этого трековые и кабельные системы освещения позволяют легко размещать светильники без закрепления их на потолке, что иногда бывает довольно сложно сделать в помещениях со сложными потолками.

При строительстве или ремонте помещения специально организуется небольшая ниша. В ней в дальнейшем размещаются вазы с цветами, статуэтки или другие декоративные предметы, которые красиво подсвечиваются встроенными в нишу сверху или снизу .

Благодаря этому у помещения появляется дополнительный объем, расширяется пространство, подсвеченная ниша становится точкой фокуса и украшением всего помещения. Кроме этого, с помощью такой ниши в помещении появляется дополнительный ярус света.

6. Комбинирование различных источников света

Кроме всех светотехнических эффектов и удобства управления источниками света у диммеров есть еще несколько достоинств - они позволяют увеличивать срок службы ламп и экономят электроэнергию.

9. Использование небольших переносных светильников

Популярно среди светодизайнеров использовать небольшие светильники с узким пучком света. Благодаря им можно менять с помощью освещения атмосферу в комнате чуть ли не по несколько раз в день и получать при этом разные световые эффекты.

Главное достоинство таких светильников - это их мобильность. Они позволяют поменять или дополнить уже имеющуюся схему освещения в помещении без глобальных переделок и ремонтов.

Просто внеся новый источник света и подсветив им, например, красивую стену в углу помещения, или большую вазу, мы не только создаем новый фокус света, но и дополнительный уровень освещения.

Правда для полноценного использования небольших переносных светильников желательно иметь в помещении в разных местах много розеток, что бы как можно меньше использовать для таких светильников удлинители. А то будет все красиво, но придется постоянно спотыкаться о скрученные провода.

Если вам не сложно, оставьте свой комментарий к статье! Мне очень интересно ваше мнение!