О важных проблемах качества автономных световых приборов с белыми светодиодами

Освещение – основная потребность и одна из ключевых составляющих развития грамотности, безопасности и возможности продуктивной работы человека. Число людей, вынужденных обходиться без электричества в мире, – а следовательно, без электрического света – росло большую часть прошлого века. В 2000 г. Международное энергетическое агентство (МЭА) оценило его в 1,6 млрд. и предположило, что оно почти не изменится до 2030 г. (рис. 1), так как прогресс электрификации компенсируется ростом населения и другими факторами. Причём в наиболее проблемном регионе – Субсахарной Африке, по прогнозу МЭА, бурный рост населения вызовет нехватку доступа к электрическим сетям и число людей, страдающих от этого, возрастёт к 2020 г. с 500 до 650 млн. (на 30%).

Рис. 1. Тенденции развития электрификации по регионам мира (по данным Международного энергетического агентства)

 
Сегодня каждый четвертый землянин освещает свой дом исключительно керосином или другим топливом, свечами или фонариками, получая лишь 0,1% от световой энергии, вырабатываемой в мире. Стратегии топливного освещения дороги и неэффективны. Это иллюстрирует пример керосинового освещения, при котором за единицу полезного света платится в 150 раз больше, чем при использовании КЛЛ. И вообще, затраты на топливное освещение обедняют мир на $38 млрд. в год. Это освещение также обусловливает выброс в атмосферу 190 Мт СО2 в год.
Благодаря малым размерам и быстрым улучшениям эффективности белых светодиодов (БСД) стало возможным создание компактных, прочных и недорогих автономных СП с ними (АСП БСД). Последние могут питаться от небольших солнечных панелей или других автономных источников электроэнергии, а также от недорогих обычных аккумуляторов, в том числе подзаряжаемых от сети. И потребители, наверное, могли бы на платной основе подзаряжать такие АСП на существующих пунктах сетевой зарядки, обычно используемых теми, у кого дома недостаёт электричества для зарядки приборов – от мобильных телефонов до аккумуляторов автомобильного типа, питающих телевизоры.
С использованием подходящей вторичной оптики АСП БСД могут давать адекватное рабочее освещение при входной мощности в 1 Вт и даже менее. Многие АСП СБД продаются по 5-50$, в зависимости от опций, марки и т.д., что существенно дешевле СП с ЛЛ и солнечными панелями – 100-1000$, которые продвигались на рынке развивающихся стран в последние годы.
Широко распространенное использование АСП БСД принципиально важно для развития социально-трудовой деятельности, начиная от улучшения условий чтения для детей до улучшения освещения (и продаж) для продавцов ночных рынков. Кроме того, в той мере, в какой освещение с помощью БСД заменяет топливное освещение, оно может улучшать внутреннюю и наружную среды обитания путем уменьшения выбросов СО2 и других последствий использования энергии ископаемого топлива.
Необходимость гарантии качества
Реализация потенциала использования БСД для автономного освещения на долгосрочной устойчивой основе, однако, требует пристального внимания к вопросам качества АСП БСД и реальной опасности «засорения» их рынка – когда конечные потребители разочаровываются и утрачивают иллюзии, сталкиваясь с продукцией, которая не соответствует рекламным данным. В некоторых случаях давление на цены увеличивает возможность обмана со стороны производителей. В других случаях благонамеренные призводители просто не имеют оборудования для качественного производства продукции и выходного контроля её характеристик.
Опыт рынка солнечной энергетики в Кении, наиболее динамично развивающейся страны Субсахарной Африки, напоминает о необходимости стандартов на рабочие характеристики (РХ) и механизмов обеспечения качества АСП БСД. В то время как большинство солнечных модулей, продаваемых в этой стране, вполне соответствует их рекламным данным постоянное присутствие нескольких низкокачественных типов этих изделий снизило доверие потребителей и задержало рост продаж более чем на 10 лет. Кенийское бюро по стандартам начало (с 2005 г.) ужесточать требования к РХ солнечных модулей на основе аморфного кремния. Столь длительные усилия, включающие испытания и сертификацию солнечных модулей всемирно известными организациями (например, МЭК), кажется, существенно уменьшат «засорение» рынка низкокачественными изделиями. Таким образом, хотя некоторые проблемы с качеством и РХ остаются, успешное начало решения их в Кении показывает необходимость испытаний, сертификации, гарантии качества продукции и защиты общественных интересов.
Качество изделий было также проблемой для ЛЛ и ЛН. Согласно недавнему исследованию, проведённому в 7-ми странах Азиатско-Тихоокеанского региона, широкий разброс РХ имели и КЛЛ. В этих странах на КЛЛ низкого качества приходилось от 7 до 34% объёма продаж ламп. Эта проблема была в числе первопричин создания национальных и международных компаний – особенно Effi cient Lighting Initiative, ELI – по обеспечению качества КЛЛ посредством испытаний на соответствие ТУ, маркировки и других методов.
Аналогично этому, необходимы усилия по обеспечению качества товаров на развивающихся рынках АСП БСД. Есть надежда, что рано предпринятые активные шаги в этом направлении помогут умерить число проблем, вызываемых продажей продукции с низкими РХ, сильно тревоживших рынки фотоэлектрического освещения в прошлом. Эта работа нужна не только во избежание «засорения» рынка, но и для защиты интересов миллионов малообеспеченных семей, которым грозят ощутимые финансовые потери от приобретения некачественных АСП БСД.
На сегодня фактически нет общедоступных данных о РХ и качестве АСП БСД. Нет и исчерпывающе полных методик испытаний таких изделий, хотя многие частные методики для их отдельных компонентов сейчас разрабатываются. Ключевые темы рассмотрения включают РХ батарей (одноразовых или аккумуляторов), входных источников электроэнергии и остальных частей АСП БСД, а также применяемой оптики. Согласно ниже изложенному, наши первые результаты испытаний коммерчески доступных АСП БСД и их компонентов явились серьезной причиной для рассмотрения проблемы качества этой продукции.
Рабочие характеристики световых приборов
Рассматриваемые новые осветительные устройства, на первый взгляд выглядящие очень простыми, пока что содержат ряд низкокачественных компонентов и подсистем из числа:
• осветительной части, содержащей ИС (на основе БСД), пассивную оптику (линзы, отражатели, рассеиватели) и устройство регулировки положения ИС в зависимости от решаемых осветительных задач;
• источников электроэнергии: автономного устройства зарядки (т. е. солнечного элемента) и (или) устройства зарядки от сети;
• устройства накопления электроэнергии и управления режимом электропитания, которое обычно содержит аккумуляторы, электронные устройства их зарядки и схему регулирования и подачи мощности к ИС.
Кроме того, все эти части должны объединяться в целостную систему, вместе с электрическими выключателями, корпусом, средствами крепления ИС и т.д. Все они влияют на РХ АСП БСД, такие как долговечность и стойкость к внешним воздействиям (температура, влажность, насекомые и т.д.). На рис. 2 дано структурное представление АСП БСД.

Рис. 2. Концептуальное описание (на данном примере) автономных световых приборов с белыми светодиодами и фотоэлектрическим солнечным модулем

 
Цель данной работы заключалась в развитии методик указанных испытаний и наглядном их применении. На рис. 3-14 даны примеры РХ коммерчески доступных АСП БСД и их компонентов, полученные испытаниями. Рис. 15-17 касаются соответствующих этим РХ экономических показателей, таких как совокупная стоимость владения. При этом нужно заметить, что существуют разные классы данной продукции: например, приборы общего освещения определённых площадок, приборы рабочего освещения и переносные приборы для ориентации в пути (фонари). Это обстоятельство должно обязательно учитываться при сравнении АСП БСД и результатов их испытаний между собой. Например, у фонарей должны быть относительно узкие КСС, а у приборов общего освещения площадок – широкие.
Рабочие характеристики белых светодиодов
Естественно, отправная точка в оценке качества АСП БСД касается собственно БСД, из которых могут создаваться соответствующие модульные ИС. И хотя ряд уважаемых компаний производит высококачественные БСД, наши испытания подтверждают тот факт, что РХ некоторых из присутствующих на рынке намного хуже каталожных.
На рис. 3 представлен разброс характеристик 260-ти БСД без торговой марки. Они были разбиты на группы по 10 шт. каждая и, соответственно, представляли 26 «сборщиков» и оптовых торговцев СД из Шеньженя, КНР. Это выборка типов СД, нередко используемых в АСП БСД. На рисунке виден большой разброс РХ БСД, используемых в модульных ИС для АСП БСД. Световая отдача их лежит в широких пределах – от 12 до 69 лм/Вт.

Рис. 3. Световой поток и световая отдача 26 групп белых светодиодов производства КНР, измеренные при токе светодиода 20 мА (260 единичных образцов, все относятся к классу приборов с диаметром 5 мм)

 
Значительный разброс РХ наблюдался и в каждой из 26 групп этих БСД (рис. 4). Световая отдача БСД большинства лучших подгрупп этих групп – исключение (такая же или больше, чем у большинства КЛЛ), тогда как БСД наихудших подгрупп по световой отдаче были не лучше обычных ЛН.

Рис. 4. Разброс по световой отдаче в 26 группах белых светодиодов

 
Удивительно, что, несмотря на большие различия по световой отдаче, котировальные цены этих продуктов существенно не отличаются. Это означает некоторый информационный рыночный сбой, при котором цена продаваемых БСД не отражает их ценности.
Значения общего индекса цветопередачи (Ra) указанных БСД были в основном вполне высоки (как у КЛЛ): 69-91. Это соответствует диапазону значений 72-90 по Шкале цветового качества (CQS) – альтернативной метрики, которую некоторые предпочитают Ra для оценки цветопередачи ИС на основе СД. Результаты измерений коррелированной цветовой температуры (Тц) БСД были очень различны, причем излучение большей части БСД было голубоватым. Самые низкие Тц превышали 7000 К, что выше, чем у большинства ЛЛ. Снижение Тц снижает световую отдачу ИС на основе БСД. Разброс по Тц внутри групп БСД был во многих случаях тоже существенным (рис. 5). Корреляции между световой отдачей и Ra, Тц или значениями по CQS не наблюдалось.

Рис. 5. Разброс по коррелированной цветовой температуре (Тц) в 26 группах белых светодиодов

 
Результаты, представленные на рис. 4 и 5, показывают широкий разброс РХ продукции даже от одного поставщика. Возможно, что это – результат отбраковки продукции производителем. Она состоит в том, что образец БСД, который мы испытали, был взят из партии, соответствующей ТУ и отобранной производителем для поставки определенному потребителю, а остатки были собраны вместе и пущены в целиковую продажу оптовым поставщикам, ищущим дешёвые товары.
Подобный разброс РХ БСД чреват возможностью «засорения» рынка АСП БСД. Многие компании, выпускающие АСП БСД, могут быть недостаточно оснащены для отбора качественных СД, в результате чего их АСП БСД дают аналогичный разброс РХ. Потребители, вынужденные покупать предлагаемую низкокачественную продукцию, могут перестать доверять освещению светодиодами, и репутация АСП БСД может пострадать.
Уровни освещённости от световых приборов
Обнаружен также большой разброс световых РХ продаваемых АСП БСД. На рис. 6 показано, что уровни освещенности (в двух указанных точках), создаваемые ими, сильно разнятся. В дополнение к этому, последовательно измерялась освещённость от 5-ти якобы идентичных образцов двух типов АСП БСД – разброс результатов в обоих случаях составил 25%.

Рис. 6. Значения освещённости в двух точках рабочей поверхности от автономного светового прибора с белыми светодиодами, расположенного на расстоянии 1 м от этой поверхности

 
На рис. 7 приведены распределения освещенности на площадке в 1,1 м², соответственно, созданные АСП БСД №7 и 15 по рис. 6, располагавшимися на высоте в 1 м. Видимое различие этих распределений объяснимо различиями типов БСД, их расстановки и пассивной оптики прибора.

Рис. 7. Распределение на рабочей поверхности освещённости от автономного светового прибора с белыми светодиодами, расположенного на расстоянии 1 м от этой поверхности: слева – световой прибор 7; справа – световой прибор 15

 
На рис. 8 и 9 даны дополнительные примеры распределения освещeнности. Они подчеркивают важность равномерного освещения для чтения или других подобных занятий. Для получения такой равномерности можно использовать рассеиватели, выбор расстановки БСД, отражатели и другие оптические элементы (в дополнение к оптическим свойствам используемых БСД).

Рис. 8. Распределение освещeнности на рабочей поверхности от автономного светового прибора с белыми светодиодами, расположенного на расстоянии 1 м от этой поверхности (с «привязкой» к формату А4 книжного листа)

Рис. 9. Относительная разность значений освещенности на рабочей поверхности от автономного светового прибора с белыми светодиодами, расположенного на расстоянии 1 м от этой поверхности, в точке, соответствующей центру светового пучка, и на расстоянии ±10 см от неё

 
На рис. 10 показано пространственное распределение излучения двух ранних АСП БСД (№3 – с линзой; №4 – без линзы), измеренное с помощью гониофотометра. Результаты указывают на существенную ассиметричность линз этих приборов.

Рис. 10. Пространственное распределение силы света автономных световых приборов с белыми светодиодами с вторичной оптикой (прибор №3 – слева) и без неё (прибор №4 – справа)

 
О подсистемах накопления энергии и регулирования мощности
Самые распространенные накопители энергии – неподзаряжающиеся батареи (батарейки). При использовании же аккумуляторов (подзаряжающихся батарей) производители АСП БСД должны выбирать между аккумуляторами свинцово-кислотными (SLA), никель-кадмиевыми (NiCd), никель-металлогидридными (NiMH) и литий-ионными (Li-ion). Они различаются эксплуатационными, техническими и ценовыми характеристиками, которые влияют на их соответствие определенному типу АСП БСД. Например, у SLA-аккумуляторов наименьшая цена на единицу ёмкости, но их чувствительность к перезаряду, глубокой разрядке или нахождению в разряженном состоянии часто обусловливает их сравнительно малую долговечность. NiCd- и NiMH-аккумуляторы менее чувствительны к перезаряду или глубокой разрядке, но их цена на единицу ёмкости существенно выше (табл. 1).

Таблица 1.
Типичные характеристики разных видов аккумуляторов

 
Измерения ёмкости аккумуляторов, используемых в двух типах продаваемых АСП БСД, определили разброс их РХ (табл. 2): у SLA-аккумуляторов одного производителя (используемых в АСП БСД №7) РХ существенно ниже, чем по ТУ, а у NiCd-аккумуляторов РХ, напротив, выше. Данные результаты получены на ограниченном наборе изделий и потому не годятся для однозначных выводов об эффективности разных химических видов аккумуляторов, используемых в АСП БСД. Однако они говорят о том, что аккумуляторы, используемые некоторыми производителями АСП БСД, не соответствуют их рекламным данным.

Таблица 2.
Рабочие характеристики (каталожные и экспериментально полученные) SLA- и NiCd-aккумуляторов, соответственно используемых в 7-ом и 15-ом автономных световых приборах с белыми светодиодами

* Время разрядки определяет ток, при котором аккумулятор полностью разряжается за указанное число часов. Для SLA-аккумуляторов обычная норма 20 ч, тогда как для NiCd- и NiMH-аккумуляторов – 1 ч.
** В 15-ом световом приборе используются три последовательно соединенных NiCd-аккумулятора размера АА. Номинальное напряжение каждого аккумулятора 1,2 В, что в сумме даёт 3,6 В.

 
Ёмкость аккумулятора измеряется путём разрядки полностью заряженного аккумулятора при постоянном значении тока. На рис. 11 показаны кривые разрядки двух типов аккумуляторов по табл. 2. SLA-аккумулятор показал только 80% (640 мA*ч) от заявленной (номинальной) ёмкости (800 мA*ч). И наоборот, батарея NiCd-аккумуляторов, номинальная емкость которой тоже составляет 800 мA*ч, показала ёмкость 893 мA*ч, – большую, чем по ТУ.

Рис. 11. Кривые разрядки SLA-аккумулятора и батареи NiCd-аккумуляторов с номинальной емкостью 800 мА·ч в обоих случаях (в световых приборах 7 и 15 соответственно). Кривые показывают, что eмкость батареи NiCd-аккумуляторов превосходит еe номинальное значение, тогда как напряжение на SLA-аккумуляторе очень быстро снижается

 
Хотя многие АСП БСД рассчитаны на работу исключительно с аккумуляторами, некоторые из них могут работать с неподзаряжающимися щелочными батареями. Аккумуляторы имеют значительные преимущества перед батареями по расходам на эксплуатацию АСП БСД за жизненный цикл, но высокая начальная стоимость заставляет некоторых потребителей использовать батареи. Поэтому полезно сравнить РХ АСП БСД при использовании неподзаряжающихся щелочных батарей разных типов и производителей.
На рис. 12 дано сравнение сроков службы щелочных батарей типа АА (самый распространенный тип неподзаряжающихся батарей, применяемый в АСП БСД) двух производителей. Сравнение показывает, что более дешевая батарея (приобретенная в Кении) обеспечивает не только меньшие начальные световые параметры АСП БСД (в нашем случае, на 25%), но и имеет намного меньший срок службы. К сожалению, в некоторых регионах мира для потребителя доступны лишь низкокачественные щелочные батареи. В других случаях, когда щелочные батареи более высокого качества в продаже имеются, их цена значительно выше, чем у низкокачественных аналогов, а потребители могут не знать, что эксплуатационные расходы с низкокачественными батареями выше.

Рис. 12. Различие сроков службы щелочных батарей (световой прибор 1)

 
Используются ли в АСП БСД аккумуляторы или неподзаряжающиеся батареи, ключевое влияние на РХ АСП БСД оказывает электроника, регулирующая питание БСД. Некоторые из испытанных нами АСП БСД имели минимум такой электроники. И потому токи и, следовательно, световые параметры БСД в них сильно менялись с изменением выходного напряжения батарей. Другие АСП БСД содержали схемы регулирования токов БСД, обеспечивающие примерное постоянство их светового потока при разных выходных напряжениях батарей. И хотя схемы подобной стабилизации удорожают АСП БСД, возможен значительный выигрыш от постоянства светового потока в процессе эксплуатации АСП БСД.
Левые графики по рис. 13, которые соответствуют АСП БСД с примитивной электронной схемой, демонстрируют быстрый спад освещённости от прибора во времени. И наоборот, АСП БСД, соответствующий правым графикам, обеспечивает примерно постоянную освещённость в течение около 10 ч. В дополнение к указанию важности указанных схем регулирования, эти кривые подчёркивают важность проверки характеристик АСП БСД в течение всего цикла разрядки батарей (или аккумуляторов). Измерения при полностью заряженном аккумуляторе (или свежей батарее) могут завышать оценку многих АСП БСД.

Рис. 13. Рабочие характеристики двух автономных световых приборов с белыми светодиодами, работающих в стандартных условиях

 
Характеристики зарядных устройств
Аккумуляторы в АСП БСД могут подзаряжаться несколькими разными способами. Многие из них предназначены для подзарядки от небольших солнечных модулей (мощностью 0,5-5 Вт)., другие – от обычной сети питания. В любом случае зарядное устройство содержит источник питания, схему управления подзарядкой и средство обратной связи с конечным потребителем, информирующее его, например, о текущем уровне накопленного заряда.
Управление процессом подзарядки зависит от химического вида аккумуляторов, но в любом случае применение специальной схемы управления процессом подзарядки может повышать РХ и срок службы аккумуляторов. Как отмечалось выше, SLA-аккумуляторы, хоть и недороги, слишком чувствительны к перезаряду и глубокой разрядке. Неисправности схемы управления процессом подзарядки в АСП БСД могут существенно снижать срок службы SLA-аккумулятора. NiCd-, NiMH- и Li-ion-аккумуляторы тоже чувствительны к перезаряду, но ни один из них не настолько чувствителен к глубокой разрядке, как SLA-аккумулаторы.
Зарядные устройства АСП БСД могут оцениваться с помощью измерений, определяющих РХ источника электроэнергии, а также – испытаний по определению качества схемы управления процессом подзарядки.
На рис. 14 показаны результаты определения РХ двух образцов солнечного модуля, используемого как источник электроэнергии в одном из типов АСП БСД (№15 по рис. 6). Из рисунка следует, что солнечный модуль, используемый для питания одного из номинально одинаковых образцов АСП БСД указанного типа, выполнен значительно лучше другого. Всего было испытано 6 образцов модуля данного типа. Среднее значение выходной мощности при стандартных условиях испытаний (облучённость 1000 Вт/м² при 25°С) составило 0,49 Вт, а стандартное отклонение – 0,08 Вт (15%). Эти данные указывают на значительный разброс значений выходной мощности солнечных модулей данного типа. Потребитель, к которому попадёт АСП БСД с солнечным модулем с самыми низкими РХ, узнает, что время подзарядки его прибора будет примерно на 30% больше номинального.

Рис. 14. Ампер-вольтные характеристики образцов солнечного модуля, используемого в одной из серий автономных световых приборов с белыми светодиодами (световой прибор 15). Результаты приведены к стандартным условиям испытаний: облучённость 1000 Вт/м² и температура окружающей среды 25°С

 
Мы исследовали два дешевых ручных фонаря с ручной подзаводкой и обнаружили у них стремительный спад светового потока. Освещeнность от первого из них, которому соответствуют №26 и 27 по рис. 6, спадает на 90% за 10 мин работы с момента полной подзарядки аккумулятора. Освещeнность второго, которому соответствуют №8-30 по рис. 6, спадает на 60% за 10 мин, а через 30 мин наступает почти полная разрядка аккумулятора.
Кроме описанных выше подсистем, на РХ и эффективность АСП БСД влияет множество дополнительных факторов.
Виды испытаний световых приборов
В табл. 3 представлены типичные виды испытаний для определения РХ и показателей качества АСП БСД с перекрестными ссылками между ними и описываемыми результатами. В табл. 4 приведено описание использованного в работе испытательного оборудования и условий проведения испытаний. В большинстве случаев испытания заключаются в кратковременной оценке РХ ещё новых АСП БСД (испытания №1-5, 7-9, 11-15 по табл. 3). Они, по-видимому, наиболее практичны при 100%-ном контроле качества, так как не занимают много времени. Ряд дополнительных испытаний даёт важную информацию о поведении РХ АСП БСД в течение длительного времени (испытания №6 и 10). И они важны, но, возможно, дороги для практики стандартных оценок качества продукции.

Таблица 3.
Предлагаемые виды испытаний автономных световых приборов с белыми светодиодами*

* Некоторые испытания полезно повторять, используя стандартные аккумуляторы с хорошо известными свойствами. Это помогает избегать соответствующих привходящих влияний.

 
Во всех случаях испытания должны проводиться в стандартных условиях и многие из них повторяться в эксплуатационных условиях. В последние должны входить географические переменные, такие как солнечная инсоляция, прикладные переменные, такие как расстояние от АСП БСД до объекта, а также неблагоприятные факторы: предельные уровни влажности, температуры, загрязнения и жёсткости обращения. Повидимому, целесообразно также испытывать АСП БСД со стандартным аккумулятором, чтобы отделить влияние этой подсистемы на РХ прибора в целом. Что касается освещенности, то она зависит от расстояния АСП БСД от освещаемой поверхности. И большинство наших измерений освещённости соответствует указанному, «стандартизованному» нами расстоянию в 1 м.

Таблица 4.
Условия испытаний и испытательное оборудование

 
В некоторых случаях РХ, получаемые после некоторой эксплуатации АСП БСД, намного отличаются от тех, что соответствуют стандартным условиям испытаний. Причём РХ большинства компонентов, например, БСД, аккумуляторов и солнечных элементов, температурозависимы. К тому же, мы заметили, что заявленные РХ некоторых АСП БСД основаны на идеализированных моделях их применения. Например, время подзарядки аккумулятора АСП БСД от солнечного модуля зависит от ориентации последнего относительно Солнца. Однако оценки этого времени часто основаны на стандартных лабораторных испытаниях при идеальной (прямой) ориентации, тогда как многие конечные потребители могут оставлять солнечный модуль при подзарядке в положении с далеко не лучшей ориентацией. В некоторых случаях неоптимальность этой ориентации «неумышленно» диктуется конструкцией испытуемого изделия. В результате, у конечных потребителей время подзарядки может быть существенно больше заявленного производителем и поставщиком. Для иллюстрации: если АСП БСД №15 оставлен для подзарядки в горизонтальном положении (так, что солнечная панель обращена вверх), то в обычный день в Луанде (Ангола) (Средняя солнечная энергетическая экспозиция на горизонтальной поверхности в Луанде составляет 5,5 кВт*ч/м²/день. Оценки РХ при вертикальном положении АСП БСД выполнены с помощью уравнений Даффи и Бекмэна для солнечных элементов стандартной геометрии) потребитель сможет освещаться этим прибором примерно 5 ч. Если же он оставлен в вертикальном положении (с ориентацией солнечной панели на юг), уменьшение облучённости на солнечной панели снижает время работы АСП БСД до 1,8 ч. Если последний оставлен в вертикальном положении так, что солнечная панель на юг не обращена или частично заграждена (например, если АСП БСД находится на подоконнике), то указанная облучённость снизится ещё больше.
Полезно также сведение результатов испытаний к упрощённым согласованным между собой относительным РХ и показателям качества для удобства потребителей и лиц, ответственных за проведение экономической политики. Рис. 8 и 9 – два примера простого информирования о разбросе РХ АСП БСД разных серий. Графики на этих рисунках представляют результаты в контексте с нормативными или необходимыми на практике требованиями, такими как уровень и равномерность распределения освещённости на площадке, ширина которой равна ширине листа бумаги (формата А4).
Роль испытаний в поведении рынка
Наши предварительные наблюдения показывают большие различия по РХ и показателям качества как между сериями, так и внутри серий АСП БСД. Следовательно, очевиден риск «засорения» рынка АСП БСД, если эти изделия попадают к потребителям без адекватного отбора и соответствующей информации об их свойствах.
Известно, что существуют необязательные и обязательные стандарты по повышению эффективности энергопотребления; особенно заслуживают внимания нормы и правила энергопотребления зданий и стандарты по эффективности электроприборов и оборудования. Разработка и принятие таких стандартов предполагает наличие видов испытаний, подобных описанным выше.
Наличие стандартных видов испытаний может помочь и производителям при разработке АСП БСД и анализе продукции конкурентов. При этом производители могли бы отслеживать прогресс своих разработок по качеству, сравнивая их с соответствующими аналогами. Созданное программное обеспечение для оценки энергетических РХ с удобным интерфейсом оконного типа – удачный пример средств реализации такого подхода.
Испытания также могут давать информацию о сравнительных РХ рассматриваемых изделий, распространяемую по таким каналам, как торговые журналы и маркирование продукции. Как отмечалось выше, традиционные солнечные фотоэлектрические коллекторы в Кении стали лучше во многом благодаря общедоступности сведений о РХ этих изделий.
В некоторых случаях методы испытаний АСП БСД на соответствие ТУ могут основываться, по крайней мере, на существующих стандартах. Например, по Глобальной программе аккредитации фотовольтаики (PVGAP) был принят ряд стандартов для автономных солнечно-энергетических систем и сопутствующих компонентов. Некоторые методы испытаний, связанные с этой программой, могут подойти и для испытаний АСП БСД. Одновременно с этим, необходимо разработать стандартный метод испытаний АСП БСД на соответствие ТУ, который бы достаточно сбалансировал тщательность и строгость измерений ряда параметров с их стоимостью. Дорогостоящие измерения могут быть менее эффективны, чем «умеренные», по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, небольшим фирмам могут быть не по карману дорогостоящие испытания. Во-вторых, дорогостоящие испытания способны вынуждать некоторых производителей просто избегать тех рынков, где требуется гарантия качества продукции.
Исходя из того, что в ближайшее время многие страны и рынки, вероятно, не установят соответствующие стандарты и правила, чрезмерно дорогостоящие измерения могут привести к падениям конкуренции и инновационной активности, требующих соответствия стандартам РХ изделий. Испытания с удачным балансом строгости и стоимости – наилучший путь продвижения высококачественных АСП БСД на большие рынки. Стоимость испытательного оборудования по табл. 4 составила около $15 тыс. Предъявление более жестких требований к точности подобного оборудования может резко повысить его стоимость. Время, необходимое для создания экспериментальной установки и начала испытаний, зависит от опыта и квалификации тех, кто этим занимается.
Характеристики световых приборов, которые должны знать потребители
Лабораторные испытания АСП БСД особенно полезны, если обеспечивают полезной информацией конечных потребителей и базовыми уровнями РХ производителей или посредников между производителями и конечными потребителями. Такие данные характеризуют качество, удобство использования и экономичность АСП БСД. В некоторых случаях могли бы заказываться данные, отражающие местные особенности (например, доступность солнечного света, время года, стоимость аккумуляторов). Приводимый ниже список обрисовывает восемь РХ, которые могут быть получены с помощью указанных выше испытаний.
1. Показатели освещения
А. Освещенность на рабочей поверхности в зависимости от задачи освещения. Значение этой величины обратно пропорционально квадрату расстояния между световым прибором и приемником излучения. Её измерения соответствуют виду испытаний №4 по табл. 3. Соответствующие стандарты разных стран отличаются друг от друга.
Б. Распределение освещенности на рабочей поверхности. Данная РХ может выражаться отношением значения освещенности в точке пересечения оптической оси АСП БСД с рабочей поверхностью к какой-либо освещённости на этой поверхности вне указанной точки. Она характеризует равномерность освещения определённой рабочей зоны (например, зоны чтения) и может быть получена с помощью тех же испытаний, что и предыдущая РХ (что иллюстрируется на рис. 6-9). Неравномерность освещения (и освещённость) уменьшается по мере удаления АСП БСД от приёмника излучения.
В. Часы полезной работы после полной подзарядки аккумулятора. Эта РХ может быть получена с помощью испытаний вида №5 по табл. 3 по какому-либо правилу принятия решений: например, считая, что часы полезной работы АСП БСД соответствуют 50%-му спаду светового потока от начального.
Г. Показатели качества цветопередачи. Определяются испытаниями вида №7 по табл. 3. Могут сравниваться с базовыми показателями качества цветопередачи для данной продукции.
2. Удобство использования
А. Время подзарядки аккумулятора от солнечного модуля. Эта РХ объединяет результаты испытаний видов №9 (ёмкость аккумулятора) и №12 (РХ солнечных модулей) по табл. 3. Некоторые аккумуляторы не успевают полностью подзаряжаться за один световой день. И заметим, эта РХ должна корректироваться к местным условиям.
Б. Периодичность подзарядки аккумулятора в зависимости от желаемого времени работы в день. Эта РХ определяется испытаниями видов № 5 и 9 по табл. 3. Она касается подзарядки аккумулятора и доли стоимости замены компонентов в стоимости владения АСП БСД согласно рис. 15-17.

Рис. 15. Сравнение совокупных стоимостей владения различными автономными световыми приборами с белыми светодиодами, керосиновой лампой и обычным ручным фонарём на батарейках

 
3. Экономичность
А. Расходы на приобретение и эксплуатацию изделия за фиксированный период (например, за год) или за его полезный срок службы, часто именуемые как «совокупная стоимость владения» изделием. Данная РХ сочетает в себе данные о начальных затратах на приобретение АСП БСД и последующих расходах, включающих в себя расходы на подзарядку и замену аккумуляторов. Она определяется с помощью испытаний видов 5 и 10 по табл. 3, стоимостных данных и данных о характере использования АСП БСД конечными потребителями. Результат может сравниваться с полными стоимостями владения альтернативными СП, например, керосиновыми лампами или СП с КЛЛ (рис. 15 и 16).

Рис. 16. Сравнение совокупных годовых стоимостей владения различными автономными световыми приборами с белыми светодиодами, керосиновой лампой и обычным ручным фонарём на батарейках

 
Б. Стоимость освещения. Эта РХ может быть выражена разными способами, например, зависимостью стоимости владения АСП БСД за год от максимальной освещенности от него (рис. 17), зависимостью закупочной стоимости АСП БСД от средней освещенности от него (на поверхности рабочей зоны) и т.д.

Рис. 17. Связь между стоимостью владения автономным световым прибором с белыми светодиодами и создаваемой им начальной освещённостью

 
Для использования этих РХ при оценке или выборе АСП БСД требуется установить нормативные цели, такие как приемлемый уровень освещения, степень равномерности освещения рабочей зоны, максимальная яркость (связана с блёскостью), спад светового потока в течение цикла разрядки аккумулятора, качество и срок службы аккумулятора и др. Установление таких нормативов – важная часть будущей работы. При её выполнении нужны консультации конечных потребителей и других заинтересованных сторон. Учитывая разные уровни развития экономики и культуры, подобные нормативы не должны просто копироваться с разработанных и принятых в промышленно развитых странах.
Заключение
Результаты испытаний и эталонных сопоставлений появляющихся АСП БСД и их компонентов представляют важную рыночную информацию о качестве и РХ этих изделий. Они также могут свидетельствовать о попытках стандартизации испытаний АСП БСД на соответствие ТУ в ряду всесторонних усилий по продвижению последних в развивающиеся страны. Некоторые поставщики АСП БСД лишены возможности или умения организации контроля качества своих поставок и, следовательно, страдают от произвола торговых агентов поставщиков компонентов и фирм-сборщиков АСП БСД.
Нами проведены показательные испытания образцов первого поколения коммерчески доступных АСП БСД и обнаружено, что РХ некоторых из этих изделий соответствуют заявленным, а РХ других намного ниже заявленных или приемлемых. Эти результаты, повидимому, достаточно точно характеризуют разброс РХ множества АСП БСД разных типов, всё более продвигаемых в развивающиеся страны.
Полученные результаты ясно показывают возможность создания для развивающихся стран АСП БСД высокого качества. Однако они ставят важные вопросы перед теми, кто хочет продавать АСП БСД строгим покупателям (достаточно искушённым в вопросах их качества), перед предпринимателями, ищущими возможности включения ИС на основе БСД в свои изделия, перед лицами, ответственными за проведение экономической политики, и перед юридическими лицами, выдвигающими и оценивающими инициативы по увеличению поставок АСП БСД в развивающиеся страны.
Производители АСП БСД в этих странах выразили желание независимого создания таких методов испытаний, которые помогали бы им устанавливать ориентиры по качеству, улучшать и выводить на рынок свою продукцию. Экономически эффективнее и надёжнее создавать независимую испытательную службу, чем возлагать это бремя на отдельных производителей. Оцениваться должны даже АСП БСД производства ведущих стран-производителей (КНР, Индия, Франция, США и др.). Имеющиеся возможности испытаний должны сохраняться, поскольку АСП БСД динамично развиваются, и на рынок приходят всё новые и новые производители этой продукции. Например, АСП БСД 3 и 5 по рис. 6 представляют две модификации одного изделия, появившиеся с промежутком всего в год или два. Переход от первой ко второй модификации повысил освещённость на рабочей поверхности в 4 раза. Некоторые производители, по-видимому, улучшают свою продукцию по результатам испытаний, эти испытания сказываются на качестве стандартов, и этот прогресс должен отслеживаться, а улучшения независимо оцениваться.
Наши результаты скорее показательны, чем исчерпывающи. Следует независимо испытать большее множество АСП БСД; РХ некоторых из них лежат за пределами (уже широкими) наблюдавшегося нами диапазона. Следует также испытывать помногу образцов каждой серии АСП БСД на соответствие ТУ. Кроме того, обязательны испытания этих изделий на срок службы.
Некоторые АСП БСД выглядят эффектно, но имеют уровень или пространственное распределение излучения, срок службы и т.д., во всех смыслах не отвечающие потребностям конечных потребителей. К тому же условия эксплуатации АСП БСД могут отличаться от лабораторных испытательных, а уменьшение этого недостатка должно идти путем создания дополнительных методов испытаний, учитывающих эксплуатационные реалии. Испытания могут применяться для проверки заявленных производителем РХ, выявления высших достижений и определения требующегося уровня РХ АСП БСД.
Учитывая рост популярности освещения светодиодами в развивающихся странах и приближающийся запуск большинства основных программ его широкого использования, вопросы легализации показателей качества АСП БСД и методов испытаний по определению их РХ, а также доведения результатов испытаний до ключевых участников рынка приобретают особую актуальность. Провал в решении этих вопросов вызовет ухудшение рынка АСП БСД, которое крайне затруднит проникновение на него качественной продукции, с её энергетическими, экономическими и экологическими преимуществами. И, похоже, браться за это дело уже пора.