ELEC-C8001 Sähköenergiatekniikka VALAISTUS Prof. Liisa Halonen
ELEC-6001 Ohjelma tänään Valaistusalan tutkimuksia Valaistuksen energiankäyttö ja elinkaarikustannukset Mitä valo on Valaistustekniset suureet ja yksiköt
Ohjelma 16.5 ja 19-20.5 Dr. Henri Juslen, Helvar OY, Freedom in Lighting Johtaja Jarmo Tomperi, Ensto, Valaistusteollisuus eilen, tänään ja huomenna 19-20.5 Harjoituksia Valaistustekniikasta 10-12 TEKNILLINEN KORKEAKOULU, Valaistuslaboratorio
Valaistustutkimusta kasvihuoneissa, vuoristokylässä, tien päällä, laboratoriossa
Outdoor lighting User experience Lighting Unit Humancentric dynamic lighting Energy efficiency Wellbeing Indoor lighting Aalto University School of Electrical Engineering Lighting Unit Finland
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
Valaistuksen osuus sähköenergiasta Primäärienergia Sähköenergia 19% Muut lamput 67% 33% Hehkulamput Nyt 70% valaistuksen sähköenergiasta kuluu lampuissa, jotka voidaan korvata energiatehokkaammilla lampuilla.
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
LED valaistus Energian säästöpotentiaali Valaistus USA US Energy Information Administration EIA Lighting Unit / Department of Electrical Engineering and Automation 25.10.2014 9
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
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
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
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 )
Valaistustuotteen elinkaari Valmistus Jakelu Raaka-aineiden hankinta Käyttö Käytöstä poisto Department of Electrical Engineering and Automation 13.5.2016 14
Elinkaariarviointi Tuotteen ympäristövaikutusten arviointi Elinkaariarvioinnissa tutkitaan tuotteen tai palvelun ympäristövaikutuksia elinkaaren aikana Elinkaariarviointi on standardisoitu (ISO 14040 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.
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)
Energiatehokas valaistus Valaistuksen kokonaisenergian käyttöön vaikuttavia tekijöitä Valaistussuunnittelu Valaisimet Valonlähteet Liitäntälaitteet Valaistuksen ohjaus ja säätö Päivänvalon käyttö Teollinen internet ( integrointi) Valaistusyksikkö
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
ELEC luentosali S4, valaistuksen käytön ja kunnossapidon optimointi Ennen Jälkeen Ohjattuna* Valaistusvoimakkuus / lx 428 1 260 30-1160 Teho / W 10 571 7 683 1070-6240 Energia kwh / viikko 477 347 63 Energiansäästö / % 27 % 87 % *Säädettynä esiasetellulle tasolle tai pois päältä läsnäoloohjauksen mukaan Valaistusyksikkö
Älykäs tievalaistuksen ohjaus tuottaa valoa OIKEAAN AIKAAN OIKEAAN PAIKKAAN OIKEAAN SUUNTAAN OIKEA MÄÄRÄ Aalto University School of Electrical Engineering Lighting Unit Finland
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 25.10.2014 21
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.
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.
Haitz s Law: LED Light Output Increasing / Cost Decreasing
Sairaalat: leikkaussalivalaisin Photometrical data: E c = 150.000 Lux, d 10 > 20 cm T f = 3300 K - 5500 K (adjustable.), R a = 94 even luminous distribution high depth resolution shadow free illumination adjustable lighting area
LED-Leikkaussalivalaisin Polvi- ja jalkaleikkaukset Suurempi valaistu alue T = 3500 K T = 5000 K Säädettävä värilämpötila vakiovalaistusvoimakkuudessa parantaa näkötehokkuutta Vähemmän varjoja
Mona Lisan värien spektrianalyysi
Phototherapy Bilirubin treatment Bilirubin happens in around 50% of newborns Bilirubin 455 nm LED a.u. 200 300 400 500 600 Wavelength [nm] Lighting Unit / Department of Electrical Engineering and Automation 25.10.2014 28
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 25.10.2014 29
Valaistus kehitysmaissa Noin 2 miljardia ihmistä elää pimeydessä Maailma ei kestä kehitysmaiden valaisemista hehkulampuin
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
Kasvihuonevalaistus Nyt ja tulevaisuudessa 13.5.2016 32
Mitä valo on? Valo on näkyvää säteilyenergiaa. Valo on näkyvää säteilyenergiaa. Näkyvä säteily(380-780nm) on vain Näkyvä säteily(380-780nm) on vain hyvin pieni hyvin osa sähkömagneettisesta pieni osa sähkömagneettisesta säteilystä(10-15 >10 6 m) säteilystä
Sähkömagneettinen spektri Aallonpituus (nm) Väri 780 627 punainen 627 589 oranssi 589 566 keltainen 566 495 vihreä 495 436 sininen 436 380 violetti Valaistusyksikkö
Säteilystä valoksi Säteily [W] Silmän spektriherkkyys Valo [lm] Silmän spektriherkkyyskäyrän avulla arvioidaan säteilyenergian aikaansaama valoisuusaistimus Valaistusyksikkö
Verkkokalvo tappisolu sauvasolu valon tulosuunta gangliosolu bipolaarisolu hermoliitoksia Valaistusyksikkö
Spektriherkkyys FOTOOPPINEN NÄKEMINEN PÄIVÄNVALO TAPPISOLUT V(l) MESOOPPINEN NÄKEMINEN SAUVA- JA TAPPISOLUT V mes (l) SKOTOOPPINEN NÄKEMINEN KUUTAMO SAUVASOLOUT V (l) Valaistusyksikkö
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
Esimerkkejä valonlähteen spektreistä
Katuvalaistuksessa käytettyä valoa HPS lamps HQ lamps
Valkoista vai keltaista valoa?
Valkoisen valon hajoaminen prismassa
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)
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 )
Valovoiman (I) määritelmä 1. Kynttilä 2. Hefnervalo 3. Platinaupokas (1948, uusi yksikkö kandela) 4. Nykyinen määritelmä (1979)
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.
Valonjakokäyrä Valaisimen valonjako ilmoitetaan yleensä C-g -järjestelmässä. Yksikkönä on cd/klm, eli valovoima valaisimen tuhatta luumenta kohti 60º 100 60º C=270º C=180º 200 300 g 400 30º 30º 500 C=0º C I C=90º
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 2 500... 3 500 lm pienpaine natrium 40 W 5 000 lm 180 W 33 000 lm F = Iw
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
Silmän spektriherkkyysarvot l nm V(l) V'(l ) 380 0,0000 0,0006 390 0,0001 0,0022 400 0,0004 0,0092 410 0,0012 0,0348 420 0,0040 0,0966 430 0,0116 0,1998 440 0,0230 0,3281 450 0,0380 0,4550 460 0,0600 0,5670 470 0,0910 0,6760 480 0,1390 0,7930 490 0,2080 0,9400 500 0,3230 0,9820 510 0,5030 0,9970 520 0,7100 0,9350 530 0,8620 0,8110 540 0,9540 0,6500 550 0,9950 0,4810 560 0,9950 0,3288 570 0,9520 0,2076 580 0,8700 0,1212 590 0,7570 0,0655 l nm V(l) V'(l ) 600 0,6310 0,0332 610 0,5030 0,0159 620 0,3810 0,0074 630 0,2650 0,0033 640 0,1750 0,0015 650 0,1070 0,0007 660 0,0610 0,0003 670 0,0320 0,0001 680 0,0170 0,0000 690 0,0082 0,0000 700 0,0041 0,0000 710 0,0021 0,0000 720 0,0010 0,0000 730 0,0005 0,0000 740 0,0002 0,0000 750 0,0001 0,0000 760 0,0001 0,0000 770 0,0000 0,0000 780 0,0000 0,0000
Valovirta ( ) Valonlähde säteilee säteilyteholla e [W]. Säteilyn spektritiheys on e, [W/nm]
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...
Valovirta ( ) V( ) Silmä reagoi valon eri aallonpituuksiin eri tavalla. Tätä kuvaa silmän spektriherkkyyskäyrä V( ) [ei yksikköä].
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
Valovirta ( ) V( ) Jos :sta tulee differentiaalisen pieni, vastaa summa integraalia 780nm F = K V( l) f dl m 380nm e, l
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
Valotehokkuus [lm/w] h = F / P Aallonpituus 554.5 555.5 nm 1 W => 683 lm Aallonpituus (5454 K, Ra» 95) 380 780 nm 1 W => 183 lm Musta kappale 380 780 nm 1 W => 90 lm 6500 K
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 100 000 lx E = F A
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 4000...12 000 cd/m 2 kirkas taivas 8 000 cd/m 2 aurinko keskitaivaalla 1 700 000 000 cd/m 2 L = I q A cosq
Valaistusvoimakkuus Luminanssi? Valaistusvoimakkuus kertoo vain tasolle tulevan valon määrän, kun taas......luminanssi taas kertoo tasolta lähtevän valon määrän, eli se on riippuvainen pinnan heijastusominaisuuksista.
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
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 )