Свет последних изменений

Москва, 24.03.2008
«Эксперт Северо-Запад» №12 (360)
Системы освещения на основе светодиодов имеют серьезные шансы вытеснить все существующие виды ламп

По мнению Нобелевского лауреата Жореса Алферова, одного из отцов современных светодиодов, уже через 15-20 лет не менее половины источников освещения будет на основе светодиодов, обеспечив экономию 10% мировой энергии. Два самых ценных свойства светодиодов – низкое энергопотребление и длительный срок службы – привлекают все больше потребителей.

В России до сих пор уделяется очень мало внимания экономии ресурсов. Казалось, что они неисчерпаемы и главная проблема – как их доставить потребителю, пусть и с большими потерями. Сегодня вопросы энергосбережения, включая экономию электроэнергии, выходят на первый план. Для Петербурга, самого северного из мегаполисов, это особенно актуально. Постепенно и администрация города, и простые потребители начинают задумываться о мероприятиях по экономии электроэнергии.

Выход в свет

Новейшая история светодиода началась в 1990 году с изготовления японской компанией Nichia Chemical Industries первого синего, а затем и белого светодиодов. США, для которых первенство Японии стало национальной катастрофой, включились в гонку уже в 1992-1993 годах с миллиардными бюджетами. В те же годы в Петербурге при ФТИ им. А.Ф. Иоффе был создан Научно-технический центр микроэлектроники для проведения прикладных исследований, в том числе по светодиодам. С 2005 года на предприятии «Светлана-Оптоэлектроника», созданном выходцами из Центра, началось производство белых светодиодов. Сегодня консорциум на базе Физтеха ведет исследования наравне с четверкой мировых гигантов-производителей, обладающих собственными мощными R&D-лабораториями (Lumileds, Cree, Osram и уже упомянутая компания Nichia).

Взрыв интереса к светодиодам связан с обширными перспективами применения этих источников света. До недавнего времени было два ведущих типа ламп – накаливания и люминесцентные, которые обладают серьезными недостатками или ограничениями. Главный минус старейшего источника света – лампы накаливания – позорно низкий кпд (95% мощности уходит на обогрев воздуха), недолговечность (1 тыс. часов), поломки при низких температурах. Люминесцентная лампа этих недостатков лишена, однако содержание паров ртути делает ее небезопасной для здоровья и требует затратных мероприятий по сбору и утилизации. К тому же свет этих ламп далек от солнечного, неприятен глазу, его воздействие на человека мало изучено.

Благодаря принципиально иной технологии светодиод позволяет решить все эти проблемы. Его энергопотребление в семь-восемь раз ниже, чем у лампы накаливания. Кроме того, он имеет еще более долгий срок жизни – до 50, а то и до 100 тыс. часов. Правда, проверить декларируемый срок еще не удалось, но недавно компания Cree зафиксировала рекорд в восемь с половиной лет непрерывной работы с минимальной деградацией кристалла (полупроводниковое «сердце» светодиода).

Однако самая интересная черта светодиода – то, что это очень молодая разработка, обладающая еще не изведанным потенциалом. «Если в обычных люминесцентных лампах эффективность уже доведена до предела, то у светодиодов потенциал еще большой», – говорит Петр Копьев, директор Центра физики наногетероструктур ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

По сегментам поскребу

Вначале светодиоды находили применение только как индикаторы в электронной технике или как элементы декоративного украшения интерьеров – свет был слабым. Однако на базе проведенных в Физтехе исследований в сфере полупроводниковых гетероструктур появилась возможность делать сверхъяркие светодиоды, дающие мощное излучение. Сегодня диапазон применения светодиодов, работающих в разных областях спектра, поистине безграничен: системы дефектоскопии и анализа веществ, подсветка экранов мобильников и ЖК-дисплеев, системы обеззараживания воды и продуктов, приборы ночного видения и т.д. Рынок общего освещения пока небольшой, но самый быстроразвивающийся.

В России рынок светодиодов уже формируется и даже в значительной степени сегментирован. По данным компании «Планар», одного из крупнейших поставщиков импортных светодиодов и комплектующих, белые светодиоды используются в основном в системах освещения магазинов и внешней подсветке зданий.

Шквальный спрос на светодиоды возник в сегменте дорогих аксессуаров: драгоценностей, фарфора, часов и др. Оказалось, что светодиодное освещение заставляет эти товары в буквальном смысле светиться. После того как первопроходцы зафиксировали рост продаж в три раза, они стали размещать заказы на светодиодное освещение. Петербургская компания «Тоника», специализирующаяся на подобных заказах, имеет сегодня более сотни клиентов по всей России, включая «Адамас», Русский ювелирный дом, Императорский фарфоровый завод и др. Работа в этом секторе формирует у «Тоники» почти 80% выпуска.

Спрос на светодиоды возник также в тех сферах, где роль качественного источника света критически важна. Это, например, светофоры на городских перекрестках и железных дорогах. В прошлом году в Петербурге 26 новых постов (комплекс светофоров на одном перекрестке) оборудованы светофорами на светодиодах, а еще на 40 постах проведена модернизация. Такие светофоры более яркие, они не создают фантомного эффекта, когда в солнечную погоду цвета плохо различимы, а также потребляют меньше электроэнергии.

Просыпается и рынок наружной рекламы и вывесок. Петербургский Банк ВЕФК установил около ста наружных вывесок, подсвеченных изнутри светодиодами, отказавшись от традиционных для данного сегмента неоновых ламп. Причин для выбора светодиодов было множество: яркость в полтора-три раза выше, энергопотребление в семь раз меньше, простота обслуживания. Сейчас банк прорабатывает вопрос по интерьерной и рабочей подсветке рабочих столов с помощью этой технологии.

«Я полагаю, что самый перспективный сегодня рынок – архитектурное и фасадное освещение», – говорит Ирина Плотникова, генеральный директор компании «Тоника». В центре города собственники стремятся подсветить свою недвижимость, но в то же время испытывают недостаток электрических мощностей. С начала этого года «Тоника» активно занимается этим направлением – отдел маркетинга планомерно обзванивает строительные компании с предложением услуг. «Как минимум 70% компаний проявляют интерес», – объясняет Плотникова. В планах компании – ландшафтное освещение и подсветка фонтанов.

Торговать любой горазд

На российский рынок светодиоды попадают в основном из-за границы. Некоторые компании, такие как Philips, продают свою продукцию напрямую через местные представительства. Однако самый широкий канал – через дистрибуторов электронной и оптической техники, в том числе интернет-магазины. Таких небольших фирм довольно много: «Планар», «Гало», «Электронные компоненты» и др.

Развивающийся сегмент – инжиниринговые компании, которые не только находят необходимые светодиоды, но и предлагают полностью реализовать систему освещения в соответствии с запросом. В штате таких компаний отдел светодизайнеров, инженеров по разработке светильников и светотехников. В Петербурге подобные услуги оказывают компании «Тоника», «Точка опоры» и др.

Возникает правомерный вопрос: а что, в Петербурге, традиционном, как теперь принято говорить, кластере оптики и оптоэлектроники, нет своих производителей светодиодов? На базе Физтеха, ведущего в стране института по полупроводниковым технологиям, образовалась целая плеяда малых предприятий, которые занимаются светодиодами. Правда, в одном случае это светодиоды невидимого невооруженным глазом диапазона, которые создают, например, инфракрасное излучение и применяются в целях анализа веществ («ИоффеЛЕД»). В другом случае это создание конструктивных элементов для импортных светодиодов, например конструкции корпуса, позволяющей использовать почти 100% излучения кристалла («Белый свет»).

Единственное в городе (и, похоже, в стране) предприятие, которое имеет возможность самостоятельно производить белые светодиоды, – «Светлана-Оптоэлектроника». Компания располагает несколькими ростовыми установками для создания кристаллов. Более того, она может производить конечный продукт – светофоры, светильники и т.д., поскольку на своих же мощностях изготавливает чипы источников света, пластиковые и металлические детали, сама разрабатывает дизайн. Компании очень помог грант Министерства образования и науки в размере около 12 млн долларов, на который были приобретены ростовые установки, оборудование для сборки и т.д.

Возможность поставлять на рынок конечный продукт играет сегодня очень важную роль. Хотя компания «Белый свет» существенно улучшает характеристики светодиодов, круг их покупателей пока ограничен теми, кто готов организовать кооперацию для создания конечного продукта. Ведь помимо светодиода надо изготовить блок питания, радиатор, корпус светильника – и все это в едином дизайне. Сегодня их продукцию покупают производители светильников для лифтов и подъездов (кооперация в Москве), Тульский оружейный завод для подствольных осветителей и др. А вот наладить отношения с одним питерским заводом не удалось. «Им нужен конечный продукт, вплоть до монтажа светильников», – говорит заместитель директора компании Александр Абрамов.

Очевидное-невероятное

Другое дело, был бы устойчивый спрос – такие кооперации создавались бы сами собой. Похоже, что потребители либо не информированы, либо не желают пока пользоваться новейшими световыми технологиями. А судя по расчетам, игра стоит свеч.

Рассмотрим наиболее емкий рынок – общее освещение в быту. Каждый из нас может стать потенциальным покупателем лампочки на светодиодах. В месячной стоимости электроэнергии порядка 200 рублей составляет счет за свет. Российские потребители до сих пор в быту пользуются лампами накаливания, эффективность которых в семь-восемь раз ниже, чем у светодиодных. Тем самым, используя новые технологии, счет за свет можно сократить до 25 рублей в месяц.

В масштабах экономики города эффект еще более впечатляющий. Ориентировочная установленная мощность (УМ), потребляемая жилым фондом Петербурга, составляет около 6 ГВт. Учитывая, что примерно 15% электроэнергии расходуется в быту на освещение, 90% которого обеспечивается лампами накаливания, УМ, потребляемая системами освещения, составляет порядка 800 МВт. Снижение этой цифры в восемь раз позволит высвободить 700 МВт мощности.

Таким образом, переходить на новые технологии выгодно и потребителям, и городу. Но многие потребители просто не в курсе, что уже сегодня можно купить светодиодные лампы. Большинство городских учреждений тоже не знакомы с новой технологией. Например, в ГУП «Ленсвет» (в их ведении находятся все уличные фонари, подсветка мостов и памятников) сообщили, что, может быть, светодиоды когда-нибудь и будут у них использоваться, но «пока такого нет».

«У меня на рабочем столе стоит светодиодная лампа, мне очень нравится, – говорит Ирина Плотникова. – Однако для массового спроса такие устройства еще очень дороги». Действительно, в то время как лампа накаливания стоит всего 10 рублей, а люминесцентная – 200-600 рублей, светодиодная лампа еще дороже – в среднем около 2500 рублей. Выложить деньги вперед в обмен на будущую экономию не в природе потребителя.

По мнению Плотниковой, главное коммерческое преимущество светодиодных ламп проявляется именно в их долговечности. «Их имеет смысл ставить там, где за счет этого можно снизить потребность в услугах электриков», – говорит предприниматель. С ней соглашается технический директор компании МТЛ Кирилл Тимофеев. Его компания занимается техническим обслуживанием и ремонтом инженерных систем зданий. На одном из объектов, который обслуживает МТЛ, в месяц требуется замена 800 ламп. За день один электрик может осилить максимум 30 ламп. Снижение количества замен может сильно сократить расходы компании.

На распутье

Создатели светодиодов настроены агрессивно завоевывать рынок. По словам генерального директора компании «Светлана-Оптоэлектроника» Григория Иткинсона, сегодня у России два альтернативных варианта развития систем освещения. Первый – закупка уже ставших достаточно дешевыми люминесцентных (энергосберегающих) ламп. Второй – современные светодиодные (твердотельные) светильники. Обе технологии энергосбережения потребуют крупных затрат, однако ряд тенденций однозначно указывает, что выбор следует сделать в пользу второй.

Западные страны постепенно отходят от люминесцентных ламп, поскольку в их конструкции содержатся ядовитые соединения ртути. Кроме того, широкое распространение люминесцентных ламп требует создания двух дополнительных индустрий – системы централизованного сбора и заводов по их утилизации. «Не лучше ли вложить все эти средства в научные и коммерческие аспекты современной светодиодной технологии?» – спрашивает Иткинсон. Причем больших затрат на этапе внедрения от государства не потребуется. В компании «Светлана-Оптоэлектроника» разработали финансовую схему внедрения светодиодных светильников в системе ЖКХ (в местах общего пользования).

Ключевая идея состоит в том, что от потребителя не потребуется выложить сразу полную стоимость светильника – ее можно разделить на несколько лет. Для этого районные ГУЖА должны оснастить подъезды светильниками (например, на деньги банковского кредита) и выстроить с собственниками жилья лизинговую схему возврата. В структуре счета за свет появится отдельная строка – лизинговый платеж, который по сумме не будет превышать типичный платеж за электричество. Если государство возьмет на себя обязательство субсидировать процент по кредиту, потребитель даже не почувствует разницы.

«Это типичный пример частно-государственного партнерства, в котором выигрывают все», – говорит Иткинсон. По подсчетам компании, чтобы заменить все ламповые светильники в подъездах Петербурга на светодиодные, необходимо около 3 млрд рублей. При банковской ставке 20% годовых от государства потребуется 600 млн рублей субсидий. 80 МВт установленной мощности, которые, по подсчетам компании, город тем самым сэкономит, обошлись бы государству гораздо дороже. В зависимости от типа генерирующей станции стоимость 1 МВт составляет 25-35 млн рублей, а 80 МВт – от 2 до 3 млрд рублей.

Польза от олигархов

«Нанотехнологии иногда переворачивают представление об обычных вещах, и тогда требуются дополнительные меры по созданию рынка», – говорит Петр Копьев. Чтобы преодолеть разрыв между недоверием к новым технологиям и массовым рынком, государство, производители и ученые должны объединить свои усилия.

Со стороны государства эффективным шагом было бы введение технических нормативов, которые обязали бы строительные компании использовать энергосберегающие системы освещения. Поскольку большинство строительных компаний просто сбывают недвижимость с рук и не занимаются эксплуатацией, проблемы собственников их мало интересуют. В то же время если ввести норматив разрешенного энергопотребления для обеспечения требуемой освещенности одного квадратного метра, тогда и у строителей появится стимул. Особенно если дополнить нормативы эффективными мерами наказания.

Ученые, в свою очередь, должны работать над улучшением характеристик светодиодов. По словам Петра Копьева, в числе актуальных задач – повышение эффективности кристаллов, улучшение оптических систем вывода излучения из кристалла, борьба с его деградацией по мере эксплуатации. Поддержать российских ученых, которые сегодня пока еще работают на одном уровне с мировыми исследовательскими центрами, – задача государства.

Задача бизнеса – поиск путей снижения себестоимости и методов эффективного маркетинга. «Светлана-Оптоэлектроника» планирует к 2009 году увеличить светоотдачу своих светодиодов до 120 лн/Вт, снизив вместе с тем стоимость светильников с нынешних 2000 до 900 рублей. Основной путь снижения себестоимости – массовый выпуск. Бизнес-план, который сегодня предлагает компания заинтересованным инвесторам, предполагает строительство завода в Саранске и развитие производственных площадок в Петербурге.

Поиск методов продвижения продукции также играет немаловажную роль. Ведь потребуется не только сменить источник света, но и привыкнуть к абсолютно новому дизайну систем освещения. «В силу ряда причин выгодно создавать не точечные светодиодные светильники, а распределенные по панели», – рассказывает Петр Копьев. Остроумным и, если задуматься, действенным методом было бы оснащение такими светильниками вилл известных людей – политиков, бизнесменов или звезд эстрады. Ведь именно мода сегодня дает путевку в жизнь одним и губит других.

Санкт-Петербург

Интеллектуальный свет в конце тоннеля

Одно из новых направлений, которое сегодня активно развивается во всем мире, – это создание источника белого света, полученного комбинированием красного, зеленого и синего светодиодов (технология RGB). В отличие от люминофора (синий светодиод со специальным покрытием), в RGB-светодиоде не будет потерь от преобразования синего света в белый. Устраняются и другие «узкие места». За счет RGB-технологии можно повысить светоотдачу до 200 лм/Вт и выше.

«Главное преимущество RGB-светодиода в том, что его светом можно управлять», – говорит директор Центра микроэлектроники Михаил Мизеров. В лаборатории Центра стоит опытный образец – светодиодная панель, от которой идет ярко-желтое свечение. Лаборант, сидящий за компьютером, меняет настройки в специальной программе, и панель окрашивается в красный цвет. Возможность менять цветовую гамму света – новейшая волна в мировой индустрии освещения, которую уже окрестили цифровым (или интеллектуальным) светом (smart light).

Возможность управлять светом соответствует духу времени: в мире, где все постоянно меняется, – мода, новые коллекции, посетители и т.д. – управление светом является большим преимуществом. Помимо чисто имиджевой составляющей интеллектуальный свет может оказывать сильное воздействие на эмоциональное состояние человека. Возникшее на стыке психологии и физиологии направление – экология освещения – говорит о зависимости биохимического состава крови от оттенка окружающего света. «Требуется еще много медицинских исследований. Мы планируем активно сотрудничать со специалистами», – рассказывает Мизеров.

Однако на пути к интеллектуальному свету стоит одна нерешенная проблема. Сегодня все ведущие разработчики светодиодов в мире работают над поиском гетероструктур, дающих яркий зеленый свет. При условии государственной поддержки вывод на рынок новых систем освещения возможен в 2015-2016 годах.

Создание зеленого светодиода – еще не самый сложный вызов. Голубая, вернее «белая» мечта физиков – это создание монолитного белого светодиода. Все предыдущие технологии (и люминофор, и RGB), по сути, представляют собой гибридные технологии. Как известно, увеличение числа элементов конструкции обычно повышает ее уязвимость и снижает эффективность. Для создания монолитного светодиода необходимо научиться выращивать такую гетероструктуру, которая светит исходно белым светом. «Это будет прорывом в светодиодной технике», – говорит Михаил Мизеров.

Трудный рост

• Светодиодные кристаллы на основе нитрида галлия (GaN) выращиваются по технологии MOCVD: в высокотемпературном реакторе газы галлий и азот превращаются в нанослои полупроводника.

• Наноразмерность позволяет резко повысить эффективность излучения и растить сложные структуры из различных материалов.

• Мелкосерийная ростовая установка MOCVD немецкой фирмы AIXTRON, купленная Физтехом несколько лет назад, стоила 1 млн евро.

• По традиции индустрии 80% стоимости ростовой установки составляет бренд изготовителя.

• Амортизация установки – один из самых значительных элементов себестоимости кристаллов (по опыту ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» – около 30%). Работа на установках собственного изготовления значительно удешевляет продукт.

• В Центре микроэлектроники ежедневно проводят в среднем два эксперимента по росту кристаллов. Стоимость одного эксперимента – до 1000 долларов.

Хитрая «Ниша»

В конце 1980-х годов в японской химической компании Nichia, которая была лидером на рынке люминесцентных ламп, небольшая поисковая группа работала над полупроводниковыми светодиодами. На тот момент в мире на волне были светодиоды красной и красно-оранжевой областей спектра, которые использовались в светофорах и автомобильных фарах. Попытки «зайти» с другой стороны спектра, то есть создать ультрафиолетовый, синий и зеленый светодиоды, признали бесперспективными. Отдельные группы ученых продолжали исследования, рискуя в лучшем случае прослыть чудаками. И вот в конце 1980-х годов японские ученые И. Акасаки и Х. Амано разработали базовые принципы работы синего светодиода на основе нитрида галлия.

Информация быстро распространилась в японском научном сообществе. Но когда в 1990 году Nichia выпустила на рынок светодиод, излучавший белый свет, событие имело эффект разорвавшейся бомбы. Никто не мог подумать, что на основе синего светодиода можно получить белый свет. Но все оказалось просто: создав синий светодиод, ученые из Nichia буквально перешли в соседнюю лабораторию, где его покрыли люминофором (по аналогии с люминесцентной лампой). С этого момента началась новая эпоха в индустрии света.

Судзи Накамура из лаборатории Nichia признан «отцом белого светодиода» и в 2006 году удостоен самой престижной технологической премии «Миллениум». Правда, некоторые эксперты подвергают сомнению роль Накамуры в создании светодиодов.

Ищут бережливых и инновационных

Правительство Петербурга сегодня высказывает заинтересованность в энергосберегающих проектах для социальной сферы – жилищно-коммунального хозяйства, дорожного и портового хозяйств и т.д. В рамках реализуемой сегодня в Петербурге инновационной политики такие проекты могут получить поддержку города. В частности, они могут быть включены в пилотный инновационный кластер, в рамках которого будут получать целенаправленную поддержку. Основы кластерной политики планируется сформировать в первом полугодии 2008 года.

Пока же первый заместитель председателя Комитета экономического развития, промышленной политики и торговли Санкт-Петербурга Сергей Фивейский призывает заинтересованные инновационные компании и научные учреждения выступать со своими предложениями по формированию кластерной политики. Направлять предложения можно в отдел инноваций комитета.

У партнеров

    Реклама