Nyhetsbrev Nr 3 Årgång 3, Maj 2011

| Ceebel – Centrum för energieffektiv belysning | www.ceebel.se | info@ceebel.se |

Tema LED

Per Olof HedekvistSP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut

LED som ersättning för spotlights

Trots en ökad försäljning av nya ar-maturer och belysningslösningar an-passade för LED som belysningskälla är marknaden för ersättningslampor fortfarande stor. Spotlights var en av de första ersättningsprodukterna base-rade på LED, och följaktligen kanske den mest mogna. En liten genomgång av vad

som finns i butikshyllorna visar tyvärr fortfarande att det finns brister och för-bättringsbehov.

Två LED spotlights, som marknadsförs som ersättning till varmvit 35 W halo-

genspot, har jämförts med halogen-originalet. Samtliga är avpassade för 230V och har GU10-sockel. Den ena LED-spoten är av känd tillverkare, och bygger på 1 st 3W LED, medan den andra är av butikens eget märke, och har 4 st 1,5W LED, d.v.s. totalt 6 W. Det blir väl-digt tydligt att effekten i lysdioder säger mycket lite om hur mycket ljus som kom-mer ut, dessutom anges hur mycket ef-fekt som dioderna drar, inte hur mycket effekt som belastar elnätet. Elektroniken drar också effekt som lätt glöms bort. Noterbart är också att de två LED-lamporna kostade i stort sett lika mycket.

En armatur för infällt montage av halo-genspotlight i tak har använts som referens, inklusive kåpan som krävs för brandskydd. I stället för att skydda huset från värmen från halogenlampan, vilken hettar upp kåpan till 70 grader, kommer kåpan att erbjuda LED-lampan en luftig omgivning och lägger omgivningstem-peraturen på ca 35 grader C.

Å ena sidan visade mätningarna att ljusflödet ut från samtliga spotlights är jämförbart. Där halogenlampan ger full styrka omedelbart och sedan stabilt,

Den nya ljuskällan LED blir vanligare och vanligare. Det finns idag högkvalitativ LED som ger ett bra ljus och som fördelas på ett riktigt sätt. Emellertid finns det många LED som inte uppfyller grundläggande krav på färgåtergivning, bländning etc. Det är viktigt att alla som arbetar med belysning förstår skillnaden mellan de tidigare ljuskällorna och LED. Ljuskällan är mycket smalstrålig och därför ställs det t.ex större krav på avbländning. Gör man fel kommer belysningen att uppfattas som bländande i högre utsträckning än hos t. ex ett lysrör som ger ett mer diffust ljus.

Det pågår idag forskning på såväl upplevelse av som kvalitet på LED, men forskning är tidskrävande. Marknaden översköljs av nya leverantörer och de fotometriska mätningarna på LED har inte alltid genomförts på rätt sätt. Vid SP genomförs många mätningar på den nya ljuskällan samt också projekt inom ramen för Energimyndighetens program för energieffektiv belysning, som är inriktat mot LED-ljus. Avseende upplevelse kan vi i preliminära studier konstatera att LED-ljus uppfattas som mer ly-sande än belysning med samma styrka men med lysrör som ljuskälla. Det är viktigt att vara medveten om denna problematik.

Samtidigt pågår spännande forskning kring utvecklandet av ännu bättre LED. Denna utveckling går snabbt och inkluderar mycket avancerad materialforskning inom nano-området. Potentialen är stor och även möjligheterna till att spara energi är stora, men om vi användare inte mår väl och trivs i belysningen kommer vi inte att nå den målsättningen.

börjar LED lamporna på en högre nivå och sjunker långsamt den första halvtim-men. Färgtemperaturen förändras vid tändning, och det kan ta upp till 45 min innan den når sin stabila nivå.

Mer anmärkningsvärt var de stora bris-terna i dimensioner. Armaturen, vilken är avpassad för en halogenspotlight, är klassad som IP44, och för att uppfylla detta krävs att ett litet skyddsglas mon-teras framför lampan. LED-lampan från det kända märket sticker ut från sin mon-teringsring, så skyddsglaset får inte plats. Butikens egna märke har för stor dia-meter och kan inte ens monteras i arma-turen. Genom att den även är för lång, går det knappt att ansluta elen.

Slutsatsen är att en LED baserade ersättning till halogenspotlights kan ge tillräckligt med ljus, vid jämförbara färg-temperaturer, men det faller på att de inte har rätt dimensioner.

Jämförelsen är gjord på SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut som en del av projektet ”LED baserad belysning” finansierat av Energimyndigheten.

Kalendarium LLB – Branschmässa för ljus, ljud och mediateknik18 – 20 maj 2011 på Stockholmsmässan i Älvsjö EEDAL’1124-26 May 2011, Copenhagen

CIE-Session 201110 – 15 juli, 2011, Sun City, Sydafrika

Elmia Fastighet 20-22 september 2011 i Jönköping

Social Light Movement Workshop27th – 30th September 2011, Liège – Belgium

PLDC 2011 19-22 oktober 2011 i Madrid, Spanien

För mer information - gå in på www.ceebel.se

Tipsa gärna om aktiviteter till vårt kalendarium via mail till info@ceebel.se

Lysdioderna ger ett stort antal fördelar:

• Mycket hög effektivitet, upp till 8 gånger bättre än glödlampor

• Mycket lång livslängd - upp till 20 år vid normal användning

• Lätt dimbara• Ingen kallstart, inga driftsproblem• Kompakt form• Låg spänning• Ingen förekomst av farliga tungmet-

aller som kvicksilver• Naturligt robusta - inga glödlampor

med tunt glas • Riktad belysning med oerhörd

designflexibilitet

Det finns idag företag som tillverkar lys-dioder, men dessa är dyra att tillverka och svårare att massproducera. Glo ar-betar med nanoteknik på kiselskivor, vilket ger betydligt lägre produktions-kostnader och därmed också lägre pris för konsumenterna. Dagens produkter kostar flera hundra kronor styck, vilket är en stor begränsning för att de riktigt ska slå igenom. Målet är att få ner priset till en femtedel och att erövra en bit av världsmarknaden för allmänbelysning. Nanotrådstekniken ger även helt nya möjligheter att förverkliga ett stort mål för LED-industrin, nämligen att tillverka effektiva grön-emitterande lysdioder, vilket hittills saknats.

Idag har Glo drygt ett trettiotal anställda i Lund och Lyngby utanför Köpenhamn samt i Sunnyvale i Kalifornien. Den primära kundgruppen är belysningsföre-tag som kan integrera produkterna i sitt eget sortiment. Dessutom finns myck-et viktiga applikationer inom display-tekniker, bl.a. för ”back-lit LCD-screens”, där GLOs teknik blir kraftfull.

Glo AB

Kontakt: Professor Lars Samuelson http://www.nano.lth.se/lars.samuelson/Nanometerkonsortiet: http://nano.lth.se

utvecklar lysdioder som bygger på nanotrådar. Företaget bildades 2005 som en avknoppning från Lunds universitet och tekniken bygger på världsledande forskning kring nanotrådar på kisel vid Nanometerkonsortiet i Lund, där profes-sor Lars Samuelson tidigt inriktade sig på nanotrådar, vilket banade väg för ett starkt patentpaket.

Trots goda avsikter och tidiga politis-ka initiativ av regeringarna fortsätter energiförbrukningen i världen att öka, och denna trend väntas fortsätta. LED-baserad Solid State Lighting handlar om ett skifte från en teknik som i princip sett likadant ut i över 100 år. Avsikten är att ta fram särskilda nanobaserade lysdioder, som ska kunna tillverkas och säljas till ett så pass lågt pris att man ska kunna nå ut på den vanliga konsumentmarknaden. Lysdioder är tio gånger mer energieffek-tiva än glödlampor och är miljövänligare än lågenergilamporna, som innehåller kvicksilver.

Lars Samuelson är också CSO (Chief Sci-entific Officer) för Glo AB www.glo.se.Glo AB samverkar nära, och delar IP-bas med systerbolagen QuNano AB www.qunano.com och Sol Voltaics AB www.solvoltaics.com

LED inom programmet för Energieffektiv belysning

Utomhusbelysning

Utomhusbelysningen svarar för 20% av belysningskostnaderna i Sverige. Genom byte till energisnålare ljuskäl-lor finns en stor besparing att göra. Men förutom belysningsstyrka och energiåtgång finns andra aspekter av utomhusbelysning som bör beaktas. Hur upplever man till exempel det egna bostadsområdet om detta får en belysning som man i första hand asso-cierar med banbelysning? Hur påverkar ljuskällans spektrala sammansättning upplevelsen av närmiljö och grönska

Energianvändning och ljusupplevelse samt upplevd trygghet och tillgänglighet

• Potentiella synergieffekter för off-grid användning med solceller

Maria Johansson, Miljöpsykoloigi, LU

Belysningen av bostäder, gator och of-fentliga utrymmen som parker är främst avsedd att möta fotgängarnas behov. Det är viktigt att hitta lösningar för utomhus-belysningen i flerbostadshusområden som inte bara är energi- och kostnadsef-

http://mpe.arkitektur.lth.se/kontakt/maria_johansson/

vid olika årstider? Hur tillfredsställs bru-karnas behov av trygghet och tillgäng-lighet under olika belysningsalternativ?

fektiva utan också de ger boende en god ljusupplevelse och tillfredsställer deras behov av trygghet och tillgänglighet. För att studera detta har utomhusbelys-ningen i ett antal bostadsområden i södra och norra Sverige bytts ut mot senaste LED-tekniken, vilket givit möjlighet att studera bostadsområdena under såväl konventionell belysning som under LED-belysning. I projektet samverkar Lunds Universitet med Fagerhult, LumenRadio, Ateljé Lyktan och Riksbyggen.

Energieffektivare väg- och gatubelys-ning

Annika Jägerbrand VTI, Linköping

Inom projektet studeras hur väg- och gatubelysningar kan göras mer energief-fektiva genom att undersöka vilken an-del belysning som ur trafikantsynpunkt verkligen behövs på olika vägar samt utvärdera hur vegetationen i gatumiljö påverkar belysningseffekten.

Inomhusbelysning

I 100 år har våra hem lysts upp av glöd-lampans varma sken. Nu gäller det

Nya ljuskällors betydelse för vakenhet välbefinnande och prestation

Thorbjörn LaikeMiljöpsykologi, LU

I en laboratoriestudie undersöktes två typer av ljuskällor, LED och T5-lysrör. Belysningsstyrkan på arbetsytan hölls konstant (500 lx), medan omfältslumi-nansen varierades mellan 100 och 350 cd/m2. Subjektiva skattningar av det emotionella tillståndet och upplevelsen av ljusmiljö samt objektiva fysiologiska mätningar av kortisol och melatonin ge-nomfördes. Omfältsluminansen har stor betydelse för upplevd bländning, för låga omfältsluminanser ökar risken för blän-dning. En ökad ljusnivå kan i viss mån påverka prestationsförmågan. Även små skillnader i belysningens kvalitet kan ge skillnader i såväl stressnivå som produk-tivitet. Omfältsluminansen tycks också påverka utsöndringen av stresshormonet kortisol på så sätt att högre omfältslumi-nans ger högre cortisolnivå

I studien påverkade omfältsljuset nivån på den kronobiologiska markören cortisol under en dags exponering, det skedde signifikanta förändringar från en omfältsluminans av 100 cd/m2 och vidare till 350 cd/m2. Man up-plevde LED-ljuset som mer lysande. Vad

gäller ljuskvalitet upplevdes inte någon försämring med LED. LED-ljuset är smal-stråligt och måste därför avskärmas, och i försöksrummen hade man elimi-nerat bländningseffekten. Om man gör det är själva ljuskvaliteten lika, under förutsättning att ljuskällorna är av god kvalitet. Det innebär att det finns en stor besparingspotential med LED. Med god belysningsplanering och bra LED-ljuskällor kan man erhålla minst lika bra artificiellt ljus som med konventionell ly-srörsbelysning. Sammanfattningsvis lig-ger resultaten väl i linje med vad tidigare forskningsresultat visat, nämligen att omfältsljuset måste beaktas när ljusets icke-visuella effekter studeras.

http://mpe.arkitektur.lth.se/kontakt/thorbjoern_laike/

http://www.vti.se/templates/Associ-ate____2804.aspx?associatename=VTI\AJager

Energibesparing rumsupplevelse och funktionalitet vid belysningsplanering

Karin Fridell Anter, Konstfack

Projektet undersöker hur belysningslös-ningar påverkar rumsupplevelse och funktionalitet, med målet att uppnå op-timal samverkan mellan konstljus, dag-sljus och rummets utformning och färg, vad gäller perceptuella, funktionella och energimässiga faktorer. Forskare och produktutvecklare från olika disci-pliner och industrigrenar formulerar ge-mensamt kriterier för god belysning vad gäller energiåtgång, funktion, upplevelse etc. Ett antal fullskalerum utformas och ljussätts för att motsvara kritererna och utvärderas i förhållande till dessa.

http://www.konstfack.se/sv/Om-Konst-fack/Institutioner/Institutionen-for-De-sign-Konsthantverk-och-Konst/Percep-tionsstudion/

att ställa om sig till ny belysning, som har andra kvaliteter. Hur upplever vi vår inomhusmiljö med de nya ljuskäl-lorna? Och hur lyckas vi ersätta glöd-lampan på ett tillfredsställande sätt? Att omställningen inte är helt lätt visar det faktum att sex av hundra svenskar tycker att de har för mörkt hemma. Det är nästan tre gånger så många som för fem år sedan.

LED SOM POSITIVT FRAMTIDSEXEMPEL

Nils Svendenius, Jönköpings Tekniska Högskola

LED-teknologi – utvecklingspotential

Utveckling av LED-tekniken har en im-ponerande löftespotential; Ljusutbyte över 200 lm/W. RA över 90. Utveckling mot högre kvalitet och ljusutbyte, lägre kostnader och större volymer kommer på sikt att kunna innebära att en bety-dligt bättre ljusfunktion utvecklas och att betydande mängder elenergi kan sparas.

Vid en fullständig övergång till LED och LED-teknik skulle det räcka med en elför-brukning som är mindre än en tiondedel av nuvarande förbrukning, vilket innebär en betydligt mera funktionell och hållbar belysning. Detta förutsätter att det sam-tidigt sker en motsvarande utveckling av optik för styrning av ljuset på kontor, arbetsplatser, utomhus mm. Bristen på funktionell LED-optik är den enskilda fak-tor som mest hämmar utvecklingen av LED-belysning. Utvecklingen av optik för utomhusbruk är härvidlag längre kom-men än den för inomhusbruk. För när-varande förbrukas i Sverige 14 TWh el

för belysningsändamål. Här kan således ske en besparing på 12-13 TWH. Globalt förbrukas ungefär 3000 TWh för belys-ningsändamål och här är besparingspo-tentialen betydligt större även i rela-tiva andelar. Om inte belysningsbehovet drastiskt ökar bör det vara möjligt att att uppnå en förbrukning som inte är större än 200 TWh.

En hållbar ekonomisk utveckling kom-mer bland annat innebära att när BNP växer så minskar samtidigt energiåtgån-gen. Nya innovativa tekniska och andra lösningar kommer då att innebära att

Ceebel, centrum för energieffektiv belysning, är ett samverkansprojekt mellan Lunds Universitet och Tekniska Högskolan i Jönköping inom ramen för Energimyndighetens Program för energieffektivisering inom belysningsområdet. Syftet är att koor-dinera, bevaka och presentera forskning om och utveckling av energieffektiv belysning till såväl bransch som vetenskapssamhälle.

mer energisnåla metoder etableras. Förbrukningen av elenergi, som är den högsta energiformen, kommer att vara svårast att sänka. Värmepumpar och andra energisänkande utrustningar min-skar förbrukningen av värmeenergi men kräver i sin tur en ökad elkonsumtion. Utveckling av innovativ LED-belysning är därför extra värdefull då den högvärdiga elenergiförbrukningen därmed minskas.

Tekniskt möjligt ljusutbyte

Ett spektrum som har lika mycket strål-ningsenergi i varje del av det synliga spektralområdet ger upphov till ett ljusutbyte av 240 lm/W om all tillförd energi förvandlas till ljus. En optimal färgåtergivning erhålls naturligtvis då. Det torde vara möjligt att fördela ener-gin så att en större mängd hamnar i det för ögat det mer känsliga ljusområdet lite närmare 550 nm och erhålla ett ljusut-byte på ca 300 lm/W och ändå bibehålla relativt goda färgåtergivningsegenskaper (RA 85-90). Det bedöms det vara möjligt att med LED som ljuskälla om 30 – 50 år överföra uppmot 90% av den tillförda elektriska energin till ljus, vilket skulle göra det möjligt att få ett ljusutbyte av ca 215 lm/W med optimala färgegenskaper alternativ ett ljusutbyte av 270 lm/W med något mindre men ända relativt goda färgegenskaper.

Optiska möjligheter med små ljuskällor

LEDs som kan förbruka fyra watt och leverera över 400 lumen kan göra detta med en lysande yta på endast en eller några mm2. Detta gör att en optisk en-het med en LED och välutvecklad op-tik teoretiskt sett kan leverera mycket bra ljusfördelningar jämfört med de som erhålls från gamla reflektorer och ljuskällor. Mycket få inom belysnings-branschen är medvetna om detta. En optimerad vägarmatur skall t ex kun-na ge en ljusfördelning som belyser en väg med samma luxtal över hela vägen; belysningsstyrkan mitt under armaturen, den på andra sidan vägen, den mitt emellan två armaturer och den längst ut i diagonalens riktning skall kunna bli lika stora. Inomhus skall det gå att producera jämna belysningsfördelningar på t ex ett arbetsbord med en asymmetrisk ljusin-fallsriktning, som riktar alla reflexer bort från synriktningen. En skoltavla skall, med en mycket liten reflektor, kunna belysas med ljus som ger samma belys-ningsstyrka över hela tavlan. Idag bely-

ses skoltavlor med lysrörsarmaturer som enbart ger tillräckligt mycket ljus på un-gefär en fjärdedel av den översta delen av tavlan. Armaturerna har då en bredd av ungefär 150 mm och, vilket begränsar ljusspridningen. För att dessa armatur-er skulle kunna ge jämn fördelning över hela taket krävs det en bredd på upp till en meter.

Utvecklingsmetoder

Under senare år har allt mer funktionella datorprogram utvecklats för konstruktion av linser och reflektorer som distribuerar ljuset från enstaka LED-chips eller cluster av chips. Fördelarna med enskilda LED-chips jämfört med urladdningsljuskällor som lysrör och metallhalogenlampor är dels de små dimensionerna, dels att ljusflödet är begränsat till en halvsfär. De konventionella ljuskällorna, urladdning-slampor, glödlampor mm, ger ett ljus-flöde som lämnar lampan i alla riktningar dvs hela sfären. Hela ljusflödet från LEDs kan därför behandlas optiskt dvs sty-ras och fördelas. Optiska linser visar sig vara mycket fördelaktiga när det gäller styrning av flödet från enstaka LEDchip. Detta beror till stor del på att chippen har begränsade dimensioner och att linserna är betydligt lättare att tillverka och montera ihop med chippen, jämfört med reflektorspeglar, och då med den precision som krävs för att åstadkomma de önskvärda ljusfördelningarna. Nog-grannheten i tillverkningen är betydligt bättre några hundradels mm, och vid fastsätting kan den uppgå till ungefär en tiondedels mm.

Två olika typer av datorprogram har ut-vecklats för att tekniskt designa linser som styr ljuset från LEDs och riktar det på ett önskvärt sätt. Utvecklingen har skett i samarbete med två olika företag. Det ena programmet är ett så kallat kon-struktionsprogram. Medelst detta utfor-mas en lins i tre dimensioner för styrn-ing av ljuset från ett LED-chip. Enheten formas så att en önskvärd ljus- eller belysningsfördelning erhålles från en tänkt punktformad ljuskälla. Det andra programmet, ett så kallat raytraycingpro-gram, har som ingångsparametrar den av konstruktionsprogrammet utformade linsen och den använda LED-ljuskällan med dess utstrålningsparametrar.

Utveckling och förbättring av program-men pågår hela tiden. Det har hitintills varit möjligt att åstadkomma och tekniskt designa och testa både rotationssymme-triska ljusfördelningar och asymmetriskt riktat ljus med rektangulär ljusfördel-ning. De rotationssymmetriska batwing- ljus-fördelningar som åstadkommits har en jämnhet på ca 5% både i den radi-ella och rotationsriktade fördelningen. Det går här att också åstadkomma den avklingning av ljusfördelningen som efter-strävas med hänsyn till önskvärd kontrastjämnhet. De asymmetriskt rik-tade ljusfördelningarna har testats på en rektangulär yta med förhållandet ett till fyra. Simuleringarna har pekat på en jämnhet på ca 15%.

http://hj.se/jth/forskning/personal/ovr-ig-forskning/nils-svendenius.html