АНАЛИЗ АКТУАЛЬНОСТИ КОНЦЕПЦИИ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ С АВТОМАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ НА БАЗЕ СВЕТОДИОДОВ

Основной целью системы, является обеспечение энергоэффективного управляемого освещения, для автономных объектов и объектов с естественным освещением. Данная функция реализуется с помощью светодиодов видимого спектра. В данной работе будут рассмотрены сравнительные характеристики различных источников освещения с целью проверки возможности достижения заданных характеристик освещения.

В качестве анализируемых параметров источников излучения выступают спектральная плотность излучения и относительная спектральная световая эффективность, в качестве эталонных значений приняты значения нормализованного источника света D65 [7]. В данной работе для построения моделей излучения, его источники рассматриваются в первом приближении, а все полученные значения являются приведенными величинами.

Источники излучения:

1.  Лампа накаливания 2850 К.

Ввиду того что в первом приблежении нить лампы накаливания можно представить как абсолютно черное тело для построения математической модели излучения данного объекта, была использована формула Планка для абсолютно черного тела:

(1)

где: h — постоянная Планка,

k — постоянная Больцмана,

c — скорость света в вакууме.

λ — длина волны

Т — температура

u_p — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале длин волн в перпендикулярном направлении на единицу телесного угла (размерность в СИ: Дж·с−1·м−2·м−1·ср−1).

2.  Монохроматические светодиоды различных цветов видимого спектра.

Для создания модели излучения монохроматических светодиодов была использована функиця построения гаусовой кривой [1]

где: λ — текущая длина волны,

λpeak — пиковая длина волны,

Ke, Kleft, Kright — коэффициенты.

(2)

При выборе спектра излучения за основу были приянты данные предоставленные компанией Philips Lumileds Lighting Company [5].

3.  Cветодиоды белого цвета с температурой 3000 K и 5650 К.

Кривые спектральной плотности излучения для данных светодиодов, получаются в результате синтеза различных кривых монохроматических источников излучения.

При выборе спектра излучения за основу были приянты данные предоставленные компанией Philips Lumileds Lighting Company [6].

Моделирование проводилось в пакете прикладных математических программ Scilab. В результате моделирования были получены графики относительной спектральный плотности излучения, исследуемых источников — рисунок 1, на основании которых с помощью формулы 3 были получены графики относительной спектральной световой эффективности

                                        (3)

где: К_m — максимальная световая эффективность излучения

Q_e — Относительная спектральная плотность излучения

V(λ) — относительная спектральная световая эффективности монохроматического излучения для дневного зрения в соовтетсвии с ГОСТ 8.332-78 [3].

Рисунок 1. Относительная спектральная плотность излучения, исследуемых источников

Рисунок 2. Относительная спектральная световая эффективность, исследуемых источников

Проведя анализ полученных графиков, можно сделать вывод, что наименее эффективным источником освещения является лампа накаливания (№ 1), при данном освещении нет возможности регулировать спектральный состав излучения, таким образом, значительная часть энергии тратится на излучение в красном и инфракрасном диапазоне. При использовании лампы накаливания и монохроматических светодиодов (№ 2) появляется возможность регулировать спектральный состав излучения, тем не менее, по-прежнему значительная часть энергии приходится на излучение вне видимого спектра. Связка белый светодиод 5650 К и монохроматические светодиоды (№ 3) показывает приемлемый результат, тем не менее, при использовании монохроматических источников излучения взятых из технического описания [3], не удается достигнуть идеального соответствия спектра излучения эталонному источнику. Наилучший результат показала комбинация двух белых светодиодов 3000 K и 5650 K с монохроматическими светодиодами (№ 4), из ее графика видно, что в видимом спектре излучение наиболее прилажено к эталону. Анализируя полученные графики относительной спектральной световой эффективности, можно сделать вывод, что интеграл данного излучения для всех источников дает близкие значения (расхождения меньше 1 %), наиболее приближено к эталону излучение источника № 4. Ввиду ограничений на объем доклада в данной работе не представляется возможным провести полноценный анализ свойств автоматического регулирования спектрального состава излучения и освещенности с помощью предлагаемой концепции системы. Тем не менее, в данной работе будет рассмотрен пример регулирования освещенности с помощью источника излучения № 4. Предположим, что мы имеем заданные параметры освещенности, а также источник естественного освещения с температурой света 4000 K. Необходимо автоматически установить заданный уровень источника искусственного освещения. В данном случае примем в первом приближении то, что при изменении напряжения питания светодиодов в районе от 0,7 до 1,3 номинального, изменение излучающей способности происходит линейно с тем же коэффициентом. Для регулирования системы примем ПИД [2] закон регулирования с коэффициентами соответственно 0,11; 0,005; 0,02 при проведении моделирования было установлено максимальное изменение мощности излучения в секунду не более 10 %. В случае если отклонение контролируемой величины более 20 секунд попадает в заданный допуск [-3,5 % : 3,5%] режим считается установившемся.

Рисунок 3. Автоматическое регулирование освещенности

Рисунок 3 демонстрирует изменение освещенности во времени, а также динамику изменения рассогласования до вхождения в установившийся режим.

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1.  Теоретически система может обеспечивать выполнение своих основных функций по автоматическому управлению освещенностью и спектральным составом излучения

2.  Система является энергоэффективной за счет минимизации издержек на паразитное излучение, а также за счет реализации ей на базе светодиодов, потребление электроэнергии которых сравнительно ниже, чем у ламп накаливания и люминесцентных ламп.

3.  В перспективе данная система может заменить естественное освещение.

4.  Современные достижения науки и техники позволяют реализовать систему.

Исходя из вышеперечисленного, автор статьи делает вывод о том, что концепция системы освещения помещений с автоматическим управлением на базе светодиодов является актуальной.

Список литературы:

1. ГОСТ 8.332-78 — Световые измерения. значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения — 1980-01-01

2. Завьялов В.А., Рульнов А.А. «Теоретические основы автоматического управления технологическими процессами в стройиндустрии». — М.: МГСУ. — 2002 г.

3.Производственный центр «МегаЛЕД»: В.П. Дедов Три пика или светодиодные спектры [Электронный ресурс] // В.П. Дедов — 2004 — Режим доступа: URL: http://megaled.ru/docs/stat_2.doc, свободный. — Загл. с экрана.

4. Ульянов Р.С. — Концепция системы освещения помещений с автоматическим управлением на базе светодиодов / Ульянов Р.С., Завьялов В.А. // Молодой учёный — 2013 — Вып. 3 — С. 108—111.

5. Philips Lumileds Lighting Company: LUXEON® Rebel and LUXEON® Rebel ES Color Portfolio [Электронный ресурс] // Philips Lumileds Lighting Company — Режим доступа: URL: http://philipslumileds.com/uploads/265/DS68-pdf, свободный. — Загл. с экрана.

6.Philips Lumileds Lighting Company: LUXEON® Rebel Illumination Portfolio [Электронный ресурс] // Philips Lumileds Lighting Company — Режим доступа: URL: http://philipslumileds.com/uploads/20/DS63-pdf, свободный. — Загл. с экрана.

7.The International Commission on Illumination: Selected Colorimetric Tables [Электронный ресурс] // The International Commission on Illumination — Режим доступа: URL: http://cie.co.at/index.php/ LEFTMENUE/index.php?i_ca_id=298, свободный. — Загл. с экрана.