Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0061

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0061
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Название доклада
Разработка энергоcберегающей светодиодной лампы с конвекционным газовым охлаждением излучателей и сферическим светораспределением, адаптированной к традиционной технологии массового производства ламп накаливания.
Докладчик
Туев Василий Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель работы - разработка прототипа светодиодной лампы с конвекционным газовым охлаждением и сферическим светораспределением, обеспечиваемым светоизлучающими элементами ленточного (нитевидного) типа.

В результате обзора отечественного рынка светодиодных ламп, установлено, что на 2014 год рыночная доля импорта светодиодных ламп со светоизлучающими элементами ленточной типа составляет 100 %. Российские производители светоизлучающих элементов ленточного типа и ламп на их основе отсутствуют. К недостатку иностранных аналогов ламп относится цилиндрический радиатор, увеличивающий стоимость лампы и ухудшающий кривую пространственного распределения света. Параметры лампы – функционального аналога иностранного производства не удовлетворяют требованиям технического задания на ПНИ в части кривой силы света. Следовательно для достижения цели ПНИ необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработка новой конструкции лампы светодиодной с улучшенными параметрами пространственного распределения света.
2. Разработка эскизной документации для изготовления макетных образцов лампы светодиодной.
3. Изготовление и испытание макетных образцов лампы светодиодной.
4. Доработка эскизной документации, изготовление и испытание экспериментальных образцов.
Решение основных задач требует рассмотрения ряда подзадач:
а) разработка трехмерных тепловых моделей колбы с различным количеством излучающих элементов ленточного типа для моделирования тепловых свойств новых конструкций лампы с конвекционным охлаждением;
б) разработка новых конструкций устройства управления и питания лампы светодиодной с учетом требований электромагнитной совместимости;
в) разработка новых композиционных материалов.
Актуальность и новизна исследования
Постоянно растущие потребности Человечества в освещении требуют увеличения производства электроэнергии. Кроме того цены на энергоносители постоянно растут и соответственно затраты на освещение становятся все более значительными. Вопрос об альтернативных высокоэффективных источниках освещения, способных удовлетворить спрос на освещение, не наращивая при этом производства и затрат на электроэнергию стоит очень остро.
Главными требованиями к новым источникам являются совместимость с существующими осветительным установками, долговечность и низкое энергопотребление. Именно светодиоды, отвечающие всем этим требованиям, являются основными претендентами на замену лампам накаливания и люминесцентным лампам, благодаря их высокой световой отдаче, надёжности и экологичности.
Одной из главных технических сложностей при использовании светодиодов является обеспечение теплового режима. Одним из возможных вариантов для массового внедрения светодиодного освещения является использование конвекционного охлаждения, но на сегодняшний день данный способ недостаточно изучен. В связи с этим актуальным является проведение прикладных научных исследований по разработке энергосберегающей светодиодной лампы с конвекционным газовым охлаждением излучателей.
Для современного рынка светодиодов и светодиодной техники основным требованием является увеличение светового потока и срока службы. Достижение перечисленных характеристик возможно лишь при использовании новых материалов и внедрении современных технологий. В первую очередь это требование касается материалов электротеплопроводящего клея для посадки светодиодных кристаллов и материалов изолирующего слоя для излучающих элементов ленточного типа.
Описание исследования

Исследование проводилось в три стадии.

Стадия первая

На основе анализа свойств светодиодной лампы с заполнением колбы лампы воздухом и инертным газом с применением трехмерных тепловых моделей  установлен газ-наполнитель.  Давление внутри колбы выбирается исходя из соображений технологичности. С использованием результатов испытаний макетных образцов основных узлов светодиодной лампы: излучающий элемент, устройство питания, колба и опорная конструкция проведено моделирования тепловых и оптических свойств светодиодной лампы. На рисунке 1 приведен пример теплового расчета колбы лампы с четырьмя светоизлучающими элементами.

                                                           

                              Рис. 1. Пример теплового расчета колбы лампы с четырьмя светоизлучающими элементами

Осуществлено выявление вариантов возможных решений устройства светодиодной лампы, установление особенностей вариантов с использованием двух, трех, четырех и шести  излучающих элементов ленточного типа. Установлено, что максимальное количество светодиодных светоизлучающих элементов ЕГВА.432225.701, которое может быть установлено в колбе ЕГВА.757614.701 при использовании конструкции опорной  ЕГВА.433451.701, исходя из требований теплового режима, равняется четырем.

Осуществлено выявление вариантов возможных решений устройства светодиодной лампы, установление особенностей вариантов с использованием прямолинейных и дугообразных светоизлучающих элементов ленточного типа методом моделирования. Установлено, что наиболее выгодной конструкцией является вариант с 4 светоизлучающими элементами, т.к. имеет наиболее равномерную диаграмму силы света  и наибольшее абсолютное значение светового потока.

Проведено выявление вариантов возможных решений устройства светодиодной лампы, установление особенностей вариантов с использованием импульсных и линейных устройств питания. Установлено, что требованиям технического задания по критериям коэффициента полезного действия, выходной мощности и световой отдачи для светодиодной лампы с четырьмя излучающими элементами удовлетворяют устройства питания ЕГВА.435111.702 и ЕГВА.435111.704. Предложено новое схемотехническое решение устройства питания для цепи из последовательно соединенных светоизлучающих диодов, отличающееся увеличенным световым потоком, уменьшенной эмиссией гармоник в электрическую сеть и увеличенным значением коэффициента мощности.

Разработана эскизная КД на макетные образцы основных узлов светодиодной лампы: излучающий элемент  ЕГВА.432225.701; устройство питания ЕГВА.433451.701, ЕГВА.433451.702, ЕГВА.433451.703, ЕГВА.433451.704; колба ЕГВА.757614.701; опорная конструкция для крепления излучающих элементов внутри колбы ЕГВА.433451.701. Изготовлены макетные образцы, разработаны программы и методики испытаний ЕГВА.435111.701ПМ, ЕГВА.432225.701 ПМ, ЕГВА.757614.701, 433451.701 ПМ; проведены испытания макетных образцов узлов светодиодной лампы.

Стадия  вторая

Разработана эскизная КД на макетные образцы лампы светодиодной   для вариантов: с использованием двух светоизлучающих элементов ленточного типа, с использованием трёх светоизлучающих элементов: двух прямолинейных и одного дугообразного,  с использованием четырёх светоизлучающих элементов с заполнением колбы лампы воздухом и инертным газом.

Доработана эскизная КД на макетные образцы устройства питания в соответствии с рекомендациями комиссии по Акту испытаний макетных образцов устройства питания: импульсное устройство питания лампы, линейное устройство питания лампы.

Разработаны программы и методики испытаний макетных образцов светодиодной лампы ЕГВА.433751.704 ПМ и макетных образцов устройства питания: ЕГВА.435111.705 ПМ.

Изготовлены макетные образцы светодиодной лампы: с использованием двух светоизлучающих элементов ленточного типа; с использованием трёх светоизлучающих элементов: двух прямолинейных и одного дугообразного; с использованием четырёх светоизлучающих элементов  с заполнением колбы лампы инертным газом; с использованием четырёх светоизлучающих элементов с заполнением колбы лампы воздухом. Проведены испытания макетных образцов светодиодной лампы. 

Стадия третья

Разработана эскизная КД на экспериментальные образцы лампы светодиодной ЕГВА.433751.704.01 и ЕГВА.433751.705.  Разработаны программы и методики испытаний экспериментальных образцов светодиодной лампы. Изготовлены экспериментальные образцы светодиодной лампы. Проведены испытания. Устранены замечания комиссии по Акту испытаний макетных образцов лампы светодиодной в части равномерности КСС в меридиональной плоскости и увеличения конструктивно-технологического запаса. 

 

Результаты исследования

1. На основе результатов выполнения работ предыдущих этапов с использованием исследовательских инструментов современного уровня, таких как компьютерное моделирование светового и теплового распределения (КОМПАС-3D, Altium Dessigner, Solidworks) в светоизлучающем элементе и в колбе лампы, разработана конструкторская документация экспериментальных образцов светодиодных ламп ЕГВА.433751.704.01 и ЕГВА.433751.705 [1-3].

2. Разработаны новые конструкции светодиодной лампы с улучшенным пространственным распределением силы света [4, 5].

3. Разработано новое техническое решение устройства питания для светодиодной лампы, обеспечивающее регулирование яркости свечения   при изменении напряжения электрической сети, например, при включении устройства через стандартный регулятор на симисторе [6].

4.  Изготовлены экспериментальные образцы лампы светодиодной ЕГВА.433751.704.01 и лампы светодиодной ЕГВА.433751.705. 

5. В соответствии с разработанной программой и методиками ЕГВА.433751.705 ПМ проведены  испытания, в результате которых подтверждено соответствие  параметров  экспериментальных образцов требованиям технического задания. На рис. 2 приведена   характеристика распределения силы света в меридиональной плоскости, проходящей через осевую линию лампы, экспериментального образца ЕГВА.433751.704.01. За ноль градусов принято направление по оси лампы от цоколя к колбе.

                                                                           

            Рис. 2.  Характеристика распределения силы света в в меридиональной плоскости лампы ЕГВА.433751.704.01

Таким образом, разработанная конструкция лампы обладает в два раза меньшей неравномерностью светового потока в меридиональной плоскости по сравнению с лучшими отечественными и иностранными аналогами, обладает новизной (поданы две заявки на патенты на изобретения).  Параметры экспериментальных образцов соответствуют требованиям технического задания.

Литература

1. Солдаткин В.С., Туев В.И., Иванов А.В., Олисовец А.Ю., Ряполова Ю.В., Алексеев А.П. Исследование макетных образцов светодиодных ламп общего назначения, изготовленных на основе светодиодных линеек / Нитриды галлия, индия и алюминия – структура  приборы: тезисы докл. 10-й Всеросс. науч.-техн. конф. – Санкт-Перебург: Изд-во СПбПУ,  2015.   – С. 61-62.

2. Danil G. Starosek, Denis V. Ozerkin, Vasiliy I.Tuev, Yuliya V. Ryapolova, Artem U. Olisovec and Alexandr V. Ermolaev INVESTIGATION OF TEMPERATURE REGIME AND LUMINOUS FLUX OF LIGHT-EMITTING ELEMENT OFLIGHT EMITTING DIODE LAMP ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, VOL. 10, NO. 16, SEPTEMBER 2015, ISSN 1819-6608.

3. Солдаткин В.С., Ряполова Ю.В., Афонин К.Н., Олисовец А.Ю., Туев В.И. Анализ срока службы светодиодных излучающих элементов // Докл. Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники №3 (37). – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2015. – С. 55-61.

4. Заявка Российская Федерация, F21V14/00 (2015 01), H05B 33/00. Светодиодная лампа // Алексеев А.П., Вилисов А.А., Кассирова Г.В., Олисовец А.Ю., Ряполова Ю.В.,  Солдаткин В.С., Старосек Д.Г.,  Туев В.И. (RU) – № 2016100784; заявл. 12.01.2016.

5. Заявка Российская Федерация, F21V14/00 (2015 01), H05B 33/00. Светодиодная лампа // А.А. Вилисов, А.А. Голубева, А.Ю. Олисовец, Ю.В. Ряполова, В.С. Солдаткин, Д.Г. Старосек, В.И. Туев, А.Ю. Хомяков (RU) – №2016119685; заявл.   20.05.2016.

6. Пат. на полезную модель №164707. РФ, МПК7: H01L 33/00, H05B 37/02. Импульсный источник питания для светодиодной лампы // А.В. Иванов А.В. Федоров, В.И. Туев, А.А. Вилисов и др.

 

 

Практическая значимость исследования
Прикладная значимость решенных задач заключается во вкладе в формирование нового направления в светотехнике, основанном на получении результирующего светового потока от большого количества маломощных светодиодных кристаллов.
Разработаны новые конструкции устройств питания лампы светодиодной, отличающиеся уменьшенной эмиссией гармоник в электрическую сеть и увеличенным значением коэффициента мощности (Заявка Российская Федерация, МПК 7: H 01 L 33/00, H05B 37/02. Схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока. - №2016109678; заявл. 17.03.2016; Заявка Российская Федерация, МПК 7: H 01 L 33/00, H05B 37/02. Схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока. – №2015124588; заявл. 23.06.2015; Олисовец А.Ю., Туев В.И., Шкарупо С.П. Устройство питания светодиодной лампы с уменьшенным значением эмиссии помех// Докл. Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники №3 (37). – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2015. – С. 51-54.)
Разработаны рецептуры электропроводящего композиционного материала с уменьшенным количеством металлического наполнителя, сниженной температурой спекания, уменьшенным числом компонентов, увеличенным значением коэффициента теплопроводности (Заявка Российская Федерация, МПК 7: C09J 9/00. Токопроводящая клеевая композиция. – №2015124598; заявл. 23.06.2015) и диэлектрического материала (Иванов А.А., Туев В.И. Наполненный алюмосиликат дендримерной морфологии, используемый в качестве низкотемпературной керамики в светодиодных устройствах и устройствах управления космических аппаратов // Физика и технология наноматериалов и структур. – Курск: ЗАО «Университетская книга», 2015. – Т. 1. – С. 286-291).
На основе полученных результатов ПНИ, накопленного положительного опыта взаимодействия с индустриальным партнером подана ЗАЯВКА НА УЧАСТИЕ В КОНКУРСЕ (регистрационный номер 2016-218-08-0659)
по отбору организаций на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного
производства (8 очередь, шифр конкурса 2016-218-08) по теме "«Разработка и организация серийного производства надежных светодиодных излучателей нитевидного типа и высокоэффективных ламп общего назначения на их основе для прямой замены ламп накаливания».
Постер

Poster_2016.ppt