ELEC-C8001 Sähköenergiatekniikka. VALAISTUS Prof. Liisa Halonen

Transkriptio

1 ELEC-C8001 Sähköenergiatekniikka VALAISTUS Prof. Liisa Halonen

2 ELEC-6001 Ohjelma tänään Valaistusalan tutkimuksia Valaistuksen energiankäyttö ja elinkaarikustannukset Mitä valo on Valaistustekniset suureet ja yksiköt

3 Ohjelma 16.5 ja Dr. Henri Juslen, Helvar OY, Freedom in Lighting Johtaja Jarmo Tomperi, Ensto, Valaistusteollisuus eilen, tänään ja huomenna Harjoituksia Valaistustekniikasta TEKNILLINEN KORKEAKOULU, Valaistuslaboratorio

4 Valaistustutkimusta kasvihuoneissa, vuoristokylässä, tien päällä, laboratoriossa

5 Outdoor lighting User experience Lighting Unit Humancentric dynamic lighting Energy efficiency Wellbeing Indoor lighting Aalto University School of Electrical Engineering Lighting Unit Finland

6 Energiankulutus rakennuksissa Rakennuksissa käytetään yli kolmasosa maailmassa käytetystä primäärienergiasta Maailmanlaajuisesti rakennuksissa käytettävän energian tarve on noussut vuosittain 3.5% vuodesta 1970 Rakennukset käytävät yli 55% EU:n kokonaissähkönkulutuksesta Rakennuksissä käytetään 70% USAssa käytettävästä sähköstä, mistä seuraa 40% kansallisista CO 2 -päästöistä

7 Valaistuksen osuus sähköenergiasta Primäärienergia Sähköenergia 19% Muut lamput 67% 33% Hehkulamput Nyt 70% valaistuksen sähköenergiasta kuluu lampuissa, jotka voidaan korvata energiatehokkaammilla lampuilla.

8 Valaistuksen energiankulutus Maailmanlaajuisesti 2650 TWh/v EU 407 TWh/v Teollisuus 18% Ulkovalaistus 8% Asunnot 31% Teollisuus 24,5% Ulkovalaistus 14,7% Asunnot 20,6% Palvelut 43% Palvelut 40,2% Lähde: IEA, 2006

9 LED valaistus Energian säästöpotentiaali Valaistus USA US Energy Information Administration EIA Lighting Unit / Department of Electrical Engineering and Automation

10 Maailmanlaajuisesti. v 33 miljardia lamppua käytössä päivittäin v 16 miljardia uutta lamppua joka vuosi v Lampputeollisuuden liikevaihto 25 miljardia Euroa/vuosi, kasvaa jatkuvasti Sähkövalon määrä (Mlmh) henkilöä kohti vuosittain Valaistuksen kuluttama sähköenergia (kwh) henkilöä kohti vuosittain

11 Valaistuksen energiankäyttö ja päästöt Sähkövalaistuksen aiheuttamat CO 2 -päästöt (1 775 miljoonaa tonnia/a) ovat 7% maailman kokonaishiilidioksidipäästöistä Valaistuksen osuus kokonaissähkönkulutuksesta vaihtelee välillä 5% - 15% teollisuusmaissa, mutta on jopa 86% kehitysmaissa Yli neljäsosa maailman väestöstä käyttää nestemäisiä polttoaineita valon tuottoon. Tästä aiheutuu vuosittain 244 miljoonan tonnin CO 2 - päästöt ympäristöön, mikä vastaa 14% sähkövalon aiheuttamista päästöistä

12 Miksi valaistus on tärkeää kestävän kehityksen kannalta? Valaistussähkön tuotannon aiheuttamat päästöt vastaavat 70% maailman henkilöautoliikenteen päästöistä ja ovat kolme kertaa suuremmat kuin ilmailun aiheuttamat päästöt. Paul Wade, IEA

13 Valaistustuotteen ympäristövaikutukset Ilmaston lämpeneminen Uusiutumattomien luonnonvarojen väheneminen Energia Raakaaineet Raaka-aineiden valmistus, Tuotteen valmistus Jakelu, kuljetus Käyttö, huolto Käytöstäpoisto Päästöt ilmaan, veteen, maahan Jätteet Rehevöityminen Happamoituminen Ekotoksisuus Otsonikato Alailmakehän otsoni Maaperän pilaantuminen Raskasmetallit (elohopea ) Muovit Metallit Lasi Pakkausjäte (paperi, pahvi, muovi )

14 Valaistustuotteen elinkaari Valmistus Jakelu Raaka-aineiden hankinta Käyttö Käytöstä poisto Department of Electrical Engineering and Automation

15 Elinkaariarviointi Tuotteen ympäristövaikutusten arviointi Elinkaariarvioinnissa tutkitaan tuotteen tai palvelun ympäristövaikutuksia elinkaaren aikana Elinkaariarviointi on standardisoitu (ISO ja 14044) menetelmä Tuotteita vertaillaan toiminnallisen yksikön perusteella Valonlähteille toiminnallinen yksikkö usein lumen-tunti (lmh) Valonlähteiden elinkaariarviointien tyypillisiä tuloksia: Käyttövaiheen energiankulutus merkittävin tekijä (~90% ympäristövaikutuksista), riippuu käytetystä energianlähteestä Valmistus aiheuttaa noin 10 ympäristövaikutuksista Käytöstä poisto ja muut elinkaaren vaiheet ovat lähes merkityksettömiä LED-tuotteiden valotehokkuus paranee ja polttoikä pitenee (luotettavuus paranee). Tämä tekee valmistus- ja käytöstäpoistovaiheista enenevässä määrin merkittäviä elinkaariarvioinnissa.

16 Elinkaarikustannukset - Tuotteen tai palvelun elinkaaren aikaiset kustannukset Elinkaarikustannukset Investointikustannukset Käyttökustannukset Jäännösarvo Alkuinvestointi: hankinta ja asennus Energiakustannukset Käytöstä poiston kustannukset: Kierrätyskustannukset Asennuksen purkukustannukset Kunnossapitokustannukset (vaihto, huolto, puhdistus) (Tuotteen jäljellä oleva käyttöarvo)

17 Energiatehokas valaistus Valaistuksen kokonaisenergian käyttöön vaikuttavia tekijöitä Valaistussuunnittelu Valaisimet Valonlähteet Liitäntälaitteet Valaistuksen ohjaus ja säätö Päivänvalon käyttö Teollinen internet ( integrointi) Valaistusyksikkö

18 Älykkäät valaistusratkaisut Tavoitteena vähentää energian käyttöä ja siitä aiheutuvia päästöjä sovittaa valaistus käyttäjien tarpeisiin ja mieltymyksiin dynaamiset valaistusjärjestelmät: oikea määrä oikeanlaista valoa oikeaan paikkaan ja aikaan Useita ratkaisuja ja mahdollisuuksia päivänvalosäätö läsnäolotunnistus, tilanneohjaus aikaohjaus, dynaaminen säätö liikenne- ja keliolosuhteiden mukainen säätö Anturi- ja ohjaustekniikan, ICT:n ja valaistusjärjestelmän yhdistäminen rakennusautomaatioon ja liikenneseurantaan Teollinen internet Aalto University School of Electrical Engineering Lighting Unit Finland

19 ELEC luentosali S4, valaistuksen käytön ja kunnossapidon optimointi Ennen Jälkeen Ohjattuna* Valaistusvoimakkuus / lx Teho / W Energia kwh / viikko Energiansäästö / % 27 % 87 % *Säädettynä esiasetellulle tasolle tai pois päältä läsnäoloohjauksen mukaan Valaistusyksikkö

20 Älykäs tievalaistuksen ohjaus tuottaa valoa OIKEAAN AIKAAN OIKEAAN PAIKKAAN OIKEAAN SUUNTAAN OIKEA MÄÄRÄ Aalto University School of Electrical Engineering Lighting Unit Finland

21 Nobel prize in physics 2014 ISAMU AKASAKI, HIROSHI AMANO, and SHUJI NAKAMURA For the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources. Lighting Unit / Department of Electrical Engineering and Automation

22 White LED Luminous Efficacy (US DOE) Colour-mixed and phosphor-conversion Power LED, 1 mm 2, 350 ma, 25 C. Driver losses not included US DOE: Solid-state lighting research and development: Multi-year program plan.

23 303lm/W efficacy was measured at a correlated color temperature (CCT) of 5150K and a drive current of 350mA. Standard room temperature was used to achieve the results.

24 Haitz s Law: LED Light Output Increasing / Cost Decreasing

25 Sairaalat: leikkaussalivalaisin Photometrical data: E c = Lux, d 10 > 20 cm T f = 3300 K K (adjustable.), R a = 94 even luminous distribution high depth resolution shadow free illumination adjustable lighting area

26 LED-Leikkaussalivalaisin Polvi- ja jalkaleikkaukset Suurempi valaistu alue T = 3500 K T = 5000 K Säädettävä värilämpötila vakiovalaistusvoimakkuudessa parantaa näkötehokkuutta Vähemmän varjoja

27 Mona Lisan värien spektrianalyysi

28 Phototherapy Bilirubin treatment Bilirubin happens in around 50% of newborns Bilirubin 455 nm LED a.u Wavelength [nm] Lighting Unit / Department of Electrical Engineering and Automation

29 Tievalaistus Helsinki Herttoniemi Roihuvuori Siteco SL10 mini Mercury lamps (250W) Mercury lamps (125W) Philips Iridium2 LED medium LED (86W) LED (50W) Thorn Plurio LED Lighting Unit / Department of Electrical Engineering and Automation

30 Valaistus kehitysmaissa Noin 2 miljardia ihmistä elää pimeydessä Maailma ei kestä kehitysmaiden valaisemista hehkulampuin

31 EC Asia-Link ENLIGHTEN TKK Lighting Laboratory Co-ordinator Kathmandu University Vilnius University Finland Nepal Lithuania Projektissa kehitettiin energiatehokkaita valaistusratkaisuja (LEDit ja aurinkopaneelit) Nepalin syrjäisiin vuoristokyliin

32 Kasvihuonevalaistus Nyt ja tulevaisuudessa

33 Mitä valo on? Valo on näkyvää säteilyenergiaa. Valo on näkyvää säteilyenergiaa. Näkyvä säteily( nm) on vain Näkyvä säteily( nm) on vain hyvin pieni hyvin osa sähkömagneettisesta pieni osa sähkömagneettisesta säteilystä(10-15 >10 6 m) säteilystä

34 Sähkömagneettinen spektri Aallonpituus (nm) Väri punainen oranssi keltainen vihreä sininen violetti Valaistusyksikkö

35 Säteilystä valoksi Säteily [W] Silmän spektriherkkyys Valo [lm] Silmän spektriherkkyyskäyrän avulla arvioidaan säteilyenergian aikaansaama valoisuusaistimus Valaistusyksikkö

36 Verkkokalvo tappisolu sauvasolu valon tulosuunta gangliosolu bipolaarisolu hermoliitoksia Valaistusyksikkö

37 Spektriherkkyys FOTOOPPINEN NÄKEMINEN PÄIVÄNVALO TAPPISOLUT V(l) MESOOPPINEN NÄKEMINEN SAUVA- JA TAPPISOLUT V mes (l) SKOTOOPPINEN NÄKEMINEN KUUTAMO SAUVASOLOUT V (l) Valaistusyksikkö

38 Spektriherkkyys Herkkyys erilainen valon eri aallonpituuksille V(l)-käyrä päivänäkemisen (fotooppinen) suhteellinen spektriherkkyyskäyrä huippuarvo l m = 555 nm valotehokkuusvakio K m =683 lm/w V (l)-käyrä hämäränäkemisen (skotooppinen) suhteellinen spektriherkkyyskäyrä huippuarvo l m = 510 nm valotehokkuusvakio K m =1700 lm/w Valaistusyksikkö

39 Esimerkkejä valonlähteen spektreistä

40 Katuvalaistuksessa käytettyä valoa HPS lamps HQ lamps

41 Valkoista vai keltaista valoa?

42 Valkoisen valon hajoaminen prismassa

43 Valaistustekniikan perussuureet ja yksiköt Jokaisella fysiikan alalla tarvitaan neljä perusyksikköä, joista kolme on kaikille samat ja neljäs on yksilöllinen yksikkö. Kolme yhteistä perusyksikköä ovat kilogramma (massa), metri (pituus) ja sekunti (aika). Valaistustekniikassa neljäs on kandela (valovoima). Suure Yksikkö Valovoima I luumen per steradiaani (lm/sr) Valovirta F luumen (lm) Valaistusvoimakkuus E luksi (lx) = (lm/ m 2 ) Luminanssi L kandela per neliömetri (cd/ m 2 ) Valomäärä Q luumensekunti (lm s)

44 Säteily- ja valaistussuureiden vastaavuuksia SÄTEILYSUUREET VALAISTUSSUUREET Suure Yksikkö Suure Yksikkö Säteilyenergia Q e joule (J) Valomäärä Q luumensekunti (lm s) Säteilyteho F e, P watti (W) Valovirta F luumen (lm) Irradianssi, säteilytysvoimakkuus E e watti per neliömetri (W/m 2 ) Valaistusvoimakkuus E luksi (lx) = (lm/ m 2 ) Säteilyn Intenssiteetti I e watti per steradiaani (W/sr) Valovoima I luumen per steradiaani (lm/sr) Radianssi L e watti per neliömetri ja steradiaani (W/m 2 sr) Luminanssi L kandela per neliömetri (cd/ m 2 )

45 Valovoiman (I) määritelmä 1. Kynttilä 2. Hefnervalo 3. Platinaupokas (1948, uusi yksikkö kandela) 4. Nykyinen määritelmä (1979)

46 Valovoima (I) Vuonna 1979 valovoiman yksikkö kandela määriteltiin uudelleen. Valonlähteen valovoima tiettyyn suuntaan on yksi kandela silloin, kun valonlähde säteilee monokromaattista 540*10 12 taajuista säteilyä, ja sen säteilyteho tähän suuntaan on 1/683 W/ sr.

47 Valonjakokäyrä Valaisimen valonjako ilmoitetaan yleensä C-g -järjestelmässä. Yksikkönä on cd/klm, eli valovoima valaisimen tuhatta luumenta kohti 60º º C=270º C=180º g º 30º 500 C=0º C I C=90º

48 Valovirta (F) ilmoittaa valonlähteen säteilytehon painotettuna silmän spektriherkkyyskäyrällä yksikkö luumen [lm], joka on siis tehon yksikkö Kun valonlähteen valovoima kaikkiin suuntiin on 1 cd, niin sen valovirta on 4p lm. Esim. hehkulamppu 40 W 400 lm loistelamppu 36 W lm pienpaine natrium 40 W lm 180 W lm F = Iw

49 Silmän spektriherkkyys V(l) käyrä kertoo silmän suhteellisen herkkyyden eri aallonpituuksille valoisassa eli fotooppisella alueella (tappinäkeminen). Huippuarvo l m = 555 nm. V (l) ilmoittaa saman asian matalilla valaistustasoilla eli skotooppisella alueella (sauvanäkeminen). Huippuarvo l m = 510 nm

50 Silmän spektriherkkyysarvot l nm V(l) V'(l ) 380 0,0000 0, ,0001 0, ,0004 0, ,0012 0, ,0040 0, ,0116 0, ,0230 0, ,0380 0, ,0600 0, ,0910 0, ,1390 0, ,2080 0, ,3230 0, ,5030 0, ,7100 0, ,8620 0, ,9540 0, ,9950 0, ,9950 0, ,9520 0, ,8700 0, ,7570 0,0655 l nm V(l) V'(l ) 600 0,6310 0, ,5030 0, ,3810 0, ,2650 0, ,1750 0, ,1070 0, ,0610 0, ,0320 0, ,0170 0, ,0082 0, ,0041 0, ,0021 0, ,0010 0, ,0005 0, ,0002 0, ,0001 0, ,0001 0, ,0000 0, ,0000 0,0000

51 Valovirta ( ) Valonlähde säteilee säteilyteholla e [W]. Säteilyn spektritiheys on e, [W/nm]

52 Valovirta ( ) e, Jaetaan spektri kaistoihin joiden leveys on. Näin jokaisen kaistan säteilyteho [W] on fe, l Dl Säteilyteho koko spektrin yli on kaikkien kaistojen tehojen summa: F e = f Dl = f Dl + f Dl + e, l e, l1 e, l 2...

53 Valovirta ( ) V( ) Silmä reagoi valon eri aallonpituuksiin eri tavalla. Tätä kuvaa silmän spektriherkkyyskäyrä V( ) [ei yksikköä].

54 Valovirta ( ) V( ) Painotetaan kunkin kaistan säteilytehoa kaistaa vastaavalla silmän spektriherkkyydellä, lasketaan nämä yhteen ja lopuksi kerrotaan valotehokkuusvakiolla K m = 683 lm/w: F = V( l) f Dl = K V( l ) f + V( l ) f +... D [ ] l K m e, l m 1 e, l1 2 e, l 2

55 Valovirta ( ) V( ) Jos :sta tulee differentiaalisen pieni, vastaa summa integraalia 780nm F = K V( l) f dl m 380nm e, l

56 Valotehokkuus h = F / P h F P valotehokkuus [lm/w], valovirta [lm] kokonaisteho [W] Lampun valovirta jaettuna lampun ja liitäntälaitteen käyttämällä teholla watteina Vaikuttavat Valontuottotapa Spektri Kuinka tehokkaasti lamppu muuttaa sähköä valoksi

57 Valotehokkuus [lm/w] h = F / P Aallonpituus nm 1 W => 683 lm Aallonpituus (5454 K, Ra» 95) nm 1 W => 183 lm Musta kappale nm 1 W => 90 lm 6500 K

58 Valaistusvoimakkuus (E) pinnalle saapuvan valovirran tiheys yksikkö luumenta neliömetrille [lm/m 2 ] eli luksi [lx] Esim. valaistu maantie 20 lx toimistopöytä 500 lx kirkas päivä lx E = F A

59 Luminanssi (L) pinnan valovoiman tiheys tarkastelusuuntaan pinnan kirkkaus, valon tiheys kuvaa pinnalta lähtevää valoa yksikkö on kandelaa per neliö-metri [cd/m 2 ] ihmissilmä näkee luminansseja Esim. valaistu kadun pinta 2 cd/m 2 loistelampun pinta cd/m 2 kirkas taivas cd/m 2 aurinko keskitaivaalla cd/m 2 L = I q A cosq

60 Valaistusvoimakkuus Luminanssi? Valaistusvoimakkuus kertoo vain tasolle tulevan valon määrän, kun taas......luminanssi taas kertoo tasolta lähtevän valon määrän, eli se on riippuvainen pinnan heijastusominaisuuksista.

61 Valomäärä (Q) Valomäärä on valovirran aikaintegraali. Sen yksikkö on luumensekunti [lms] tai luumentunti [lmh]. t = Fdt 0 Jos valovirta on vakio, on valomäärä valovirta kertaa aika. = Ft

62 Valoteknillisiä suureita ja yksiköitä Suure Tunnus Yhtälö Yksikkö Valovirta F F = Km V * fe, l luumen (lm) Valovoima I kandela (cd) Valaistusvoimakkuus Luminanssi E L 780nm 380nm I = d E = da ( ) Ia L= Acosa luksi (lx) kandela per neliömetri (cd/m 2 )