ETE310 Miljö och Fysik VT2016 BELYSNING Linköpings universitet Mikael Syväjärvi
Det finns mycket belysning i världen. Photo: Philip Hens
EU beslutade att fasa ut glödlampan
Corren 8 okt 2008
EU beslut 8 dec 2008 Sep 2009 Förbud matta glödlampor + klara 100 watts glödlampor Sep 2010 Förbud klara 75W glödlampor Sep 2011 Förbud klara 60W glödlampor Sep 2012 Förbud klara 40 och 25W glödlampor Sep 2013 Skärpta krav lågenergilampor och LED-lampor Sep 2018 Skärpta krav på halogenlampor
Av den energi som man stoppar in i glödlampan så kommer 5% ut som ljus. Det är lite! 5%
Lågenergi lampan ger lite mer 15-25%
Men innehåller KVICKSILVER
VITA LYSDIODER Ger ca 30-50% ljus Skillnaden mellan glödlampa och vita lysdioder är minst 25%
Elektricitetsanvändning i Sverige 140 TWh elektricitet per år 20% allmänbelysning
Besparingar 140 TWh (energi) X 20% (belysning) X 25% (glödlampa LED) = 7 Twh
Besparingar 140 000 000 000 000 TWh 140 000 000 000 kwh 20 000 kwh per år för hus Medelvärde - ca 20% hem, kontor, industri Sätt 1 kr per kwh 7 miljarder SEK årligen
Glödlampans tråd fungerar som en Svartkropp Tråden blir varm, kyler sig genom att skicka ut strålning Det mesta inom infraröda området (värmestrålning), och en liten del inom det synliga området.
Svartkropp 1879 Edison Tråd av volfram 2500 grader Celsius Smälter inte
Tråd av volfram Tåla värme Ström elektroner krockar med atomer Förångas sakta vid hög temperatur 1000 timmar livslängd
Halogenlampa Tillsatt halogengas Kvartsglas (tål högre temperatur än glas) Tråden har högre temperatur (ca 3000 o C) Blir mer strålning i synliga området Vitare ljus eftersom fler färger Längre livslängd, ca 2000 timmar Förångat material från tråden till kvartsglaset, förångas från kvartsglaset tillbaka till tråden För att sedan förångas igen
Mindre än 10% av energin nyttjas Stor del i infraröda området (värme) DISKUSSIONER OM VÄRMEN Norden A: Värme bra (värmer hus) B: Men lampor i takhöjd värme stiger och kommer inte ner till golvet A: konvektion (rörelse av luft från värmskillnader) gör att det kommer till golvet B: men och så vidare Varma länder Ventilationssystem kyler Värme från glödlampan ingen nytta
När vi övergår från glödlampa till lågenergilampa så blir det vissa skönhetsbrister
Lågenergilampan är ett rör med två elektroder Ström skapar urladdning mellan elektroderna Energi från urladdning går till kvicksilver Kvicksilver avger energin som UV ljus Glaset har en beläggning på insidan av röret (fosfor) UV ljus ger energi till fosfor Fosfor avger energi som synligt ljus Övergång av energi i flera steg: 15-25% som synligt ljus Mer än glödlampa men innehåller kvicksilver
Använder mindre energi än glödlampa Längre livslängd (10 ggr) Fladdrigt ljus när ström slås på Drar mer energi vid start Garderob, toalett mer energi Ej behagligt ljus Innehåller kvicksilver
Lysdioder är halvledarmaterial
I begynnelsen var lysdioder små punkter som i en stereo (från 80-talet)
Enkel skiss av hur en lysdiod fungerar Positiva och negativa laddningar vill mötas Och när de möts så avger de energi som ljus
En lysdiod byggs upp av ett material med ett område med positiva laddningar och ett område med negativa laddningar
För att förstå positiva och negativa laddningar så får vi gå tillbaka till atomen En atom består av en kärna och runt den kretsar elektroner (som har negativ laddning)
Atomer bygger upp kristaller (material)
I periodiska systemet beskrivs grundämnena Grundämnen har ett visst antal elektroner Exempelvis kisel (Si) har 14 elektroner Till höger on Si finns fosfor (P) med 15 elektroner (1 mer än 14) Till vänster finns aluminium (Al) med 13 elektroner (1 mindre än 14)
I en kristall, exempelvis kisel, om man dopar med fosfor-atomer, så blir det extra elektroner
I en kristall, exempelvis kisel, om man dopar med aluminium-atomer, så saknas det 1 elektron (elektroner har negativ laddning) Det blir ett hål (som kan ses som positiv laddning)
Från ett positivt laddat material och ett negativt laddat material Så får man negativa och positiva laddningar När de möts så bildar de ljus Grundfunktionen hos en lysdiod
I praktiken kan det se ut så här (liten skala)
En lysdiod ger bara en färg, exempelvis blå En fosfor omvandlar energi från blått ljus till andra färger i det synliga området. Tillsammans blir det ett vitt ljus. Men omvandlingen är inte effektiv, så det blå ljuset slår igenom och kan ge en blå ton i det vita ljuset.
Men det finns problem Det främsta är droop: effektiviteten går ner när man drar på högre ström för att få mer vitt ljus. BLUE TONE BINNING DROOP
Isamu Akasaki utvecklade metoder för galliumnitrid som används för att göra blå lysdioder Han hittade små korn av hög kvalitet och ville göra större områden som kunde användas för blå lysdioder
MBE HVPE MOCVD Akasaki utvecklade en metod för att göra galliumnitrid i hög kvalitet. Hemgjort system
Han utvecklade en metod för att kunna göra dopning med positivt laddade områden och negativt laddade områden i galliumnitrid. Och kunde då visa upp en blå lysdiod Som sedan blev effektivare med mer utveckling
1907 Första lysdioden I kiselkarbid! Men materialet hade dålig kvalitet
Satoshi Kamiyama föreslog att om man kan göra dopning i kiselkarbid av hög kvalitet så kan man få en ny typ av vit lysdiod.
White light generation using silicon carbide PL Intensity (arb.units) 5000 4000 3000 2000 1000 N-B-doped N-Al-doped Covering blue to red 0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength (nm) Dopningen ger två lager med två ljusfördelningar som täcker det synliga området OBS! Ingen skarp ton som i blå lysdiod.
CIE Chromaticity Coordinates N-B DAP N-B DAP: x=0.486, y=0.465 N-Al DAP: x=0.137, y=0.085 N-Al DAP Stacked f-sic Genom att ändra tjockleken på filmerna så kan man få ett rent vitt ljus!
Relationship between Luminous Efficacy and CRI Luminous Efficacy (lm/w) 250 200 150 100 50 50 Blue+Amber (Warm white) Blue+RG (High Ra) 60 70 80 90 Requirement for lighting applications f-sic/nuv (Warm/pure white& High Ra) NUV+RGB (High Ra) 100 Research level Production level CRI Dagens vita lysdioder kan vara effektiva, men få göra kompromiss på ljuskvaliteten.
Fysiken fungerar! Kiselkarbid med kväve och bor (lager 1, gult ljus)
Defekter drar ner förmågan att bilda ljus Mer forskning!
Nästa generation är att göra lysdioder med olika färger och blanda Mindre energiförlust eftersom behöver inte omvandla blått till andra färger Mycket baserat på kvantprickar (kvantmekaniska effekter)
Inte bara material, utan även att samhället ska ta till sig ny teknik
Hemuppgift 2 Uppgift - Vad är aktuellt när det gäller belysning? Lokalt Nationellt Globalt Vad händer inom vita lysdioder för allmänbelysning? Produkter? Allmänhetens åsikter om vita lysdioder? Belysningssystem? Nästa generation belysning? Inte bara vita lysdioder för att spara energi... Sammanfatta i fri form Skriv med egna ord (inte klippa och klistra!) Cirka 3-4 sidor typstorlek 12 och enkelt mellanrum Märk ETE301 uppgift 2