Особенности технологии производства светодиодных светильников

Особенности технологии производства светодиодных светильников

Введение

В современном мире человек просто не представляет свою жизнь без искусственных источников света. Осветительные установки дают необходимые и благоприятные условия освещения для зрительного восприятия информации (а это около 90% от всей получаемой человеком информации). Без освещения не может осуществляться работа ни одного предприятия, невозможно нормальное функционирование ни одного города. Основной задачей современной светотехники в настоящее время является создание удобной световой среды для труда и отдыха человека, а также эффективное использование оптического излучения в технологиях при рациональном использовании электрической энергии.

Данный курсовой проект посвящен современным технологиям производства светильников для уличных фонарей.

В первой, аналитической части, будет рассмотрена актуальность выбранной проблемы, проведен анализ применяемых технологий на примере Брестского электролампового завода, будут определены роль и место технологий в деятельности данного завода, а также произведен анализ существующих в мире технологий и произведен выбор технологии для дальнейшего развития этого завода.

В последующих разделах курсового проекта будут описаны особенности выбранной технологии, а также предложены проектные, управленческие и организационные решения.

1.Актуальность и характеристика выбранной проблемы

Постоянно растущие тарифы на электроэнергию вынуждают муниципалитеты применять сомнительные способы экономии, такие как отключение уличного освещения, глубокой ночью, т.е. именно тогда, когда оно необходимо. В то же время качественное уличное освещение существенно снижает количество аварий автотранспорта на ночных дорогах, особенно на перекрестках, способствует предотвращению уличных преступлений. Так что, экономя на уличном освещении органы местной власти значительно ухудшают в качество жизни своих сограждан.

Выход из создавшегося положения нам видится в создании системы инновационного альтернативного энергонезависимого уличного освещения.

Быстрое развитие полупроводниковых технологий привело к созданию полупроводниковых приборов, в которых реализуются новые принципы генерации света это светоизлучающие диоды - светодиоды. В светодиодах происходит преобразование энергии инжектированных в базовую область электронно-дырочного перехода электронов в энергию светового излучения c высокой (до 300 люменов/ Ватт) эффективностью преобразования электрической энергии в световое излучение. К настоящему времени уже созданы единичные сверхяркие светодиоды белого света, дающие световой поток на уровне 1000 люменов.

Появление столь эффективного генератора светового излучения сможет поменять в ближайшие годы видение организации освещения вообще и уличного освещения в частности. Так страны юго-восточной Азии уже выбросили на потребительский рынок первые светодиодные лампы для целей бытового освещения, где недостаточная сила света единичного светодиода компенсируется комбинацией нескольких десятков светодиодов в одной конструкции. Появились сообщения об изготовлении светодиодных фар для автомобилей, созданы светодиодные прожекторы, создающие световой поток в 13 300 люмен. Ряд американских и европейских фирм начали планомерное завоевание рынка светильников уличного освещения поставками новейших высокоэкономичных светодиодных уличных фонарей.[3]

1.1 Анализ применяемых технологий в ОАО «Брестский электроламповый завод»

В данном курсовом проекте будет рассмотрено единственный в Республике Беларусь и один из крупнейших производителей ламп накаливания специального и общего назначения.

Брестский электроламповый завод расположен в городе Бресте на границе между Польшей и Белоруссией. Его продукция используется в различных отраслях промышленности, автомобильном, железнодорожном, воздушном и водном транспорте, а также для освещения жилых, общественных и промышленных зданий.

Высокое качество изготавливаемой подтверждается устойчивым спросом на рынке.

С 1998 года завод работает по Международной системе качества серии ИСО-9001. Постоянно расширяется и обновляется номенклатура изделий. Кроме ламп накаливания, завод выпускает компактные энергосберегающие лампы, а также натриевые лампы высокого давления для уличного освещения и для тепличного хозяйства. [4]

Основной целью завода является получение прибыли, а также повышение качества и востребованности своей продукции и привлечение новых клиентов.

Но на данном этапе завод находится в кризисе. Подавляющее большинство производственного оборудования испытывает износ. Низкая производительность оборудования, плохая система контроля качества или ее отсутствие на разных этапах производства отражаются на качестве и объеме выпуска продукции, которое уступает многим западным производителям и соответственно отрицательно отражается на конкурентоспособности.

Таким образом, можно заключить, что для реализации целей компании крайне важно рассмотреть вопрос совершенствования используемых технологий или внедрения новых.

1.2 Роль и место технологий в деятельности организации

В ОАО «Брестский электроламповый завод» выполняется весь процесс производства: от научной разработки до выпуска готовой продукции. Имея научно-технический потенциал, предприятие работает над расширением ассортимента. Особое внимание уделяется качеству продукции.

Основные виды производимой продукции:

§  cветильники;

§  лампы;

§  стеклоизделия;

§  уличные светильники.

Географическое расположение очень выгодное, Брестский электроламповый завод находится в городе Бресте на границе между Польшей и Белоруссией. На примыкающей к городу площади в 70 кв. км создана Свободная экономическая зона "Брест", включающая международный аэропорт, широкую сеть таможенных складов с таможенным пунктом пропуска. Брест расположен на перекрестке путей, ведущих с запада на восток и севера на юг, из которых особую важность имеет транзитный коридор Е-30 Берлин-Варшава-Брест-Минск-Москва. Прямые пути в Вильнюс и Киев позволяют быстро доставлять грузы в промышленные зоны и обратно. На территории СЭЗ "Брест" действует льготный поток налогообложения, при котором предприятия и резиденты зоны освобождаются от уплаты таможенных пошлин, что делает их привлекательными для инвесторов.[4]

Таким образом, технологии, используемые в производстве ламп, являются основополагающими технологиями в деятельности фирмы. От развития этих технологий и будет зависеть дальнейшее будущее компании.

В настоящее время основными применимыми технологиями искусственного уличного освещения являются:

§  ртутные дуговые лампы;

§  натриевые дуговые лампы;

§  уличные светодиодные светильники (LED светильники).

Рассмотрим их более подробно.

Дуговая лампа - класс ламп, где источником света является электрическая дуга. Эта дуга горит между двумя электродами из тугоплавкого металла, чаще всего это бывает вольфрам. Пространство вокруг промежутка заполняется ксеноном и агроном, а также парами металлов или их солей (ртути, натрия и др.). В зависимости от таких показателей как состав, температура и давление газа, лампа может излучать свет различного спектра. Если в спектре излучения много ультрафиолетового света, а присутствует необходимость получить видимый, то используется люминофор.

Общая характеристика газоразрядных ламп:

§  Срок службы от 3000 часов до 20000;

§  Эффективность от 40 до 150 лм/Вт.;

§  Цвет излучения: тепло-белый (3000 K) или нейтрально-белый (4200 K);

§  Цветопередача: хорошая (3000 K: Ra>80) , отличная (4200 K: Ra>90);

§  Компактные размеры излучающей дуги, позволяют создавать световые пучки высокой интенсивности. [2]

Натриевая газоразрядная лампа - электрический источник света, светящимся телом которого служит газовый разряд в парах натрия. Поэтому преобладающим в спектре таких ламп является резонансное излучение натрия; лампы дают яркий оранжево-жёлтый свет. Эта специфическая особенность натриевых ламп (монохроматичность излучения) вызывает при освещении ими неудовлетворительное качество цветопередачи. Из-за особенностей спектра и существенного мерцания на удвоенной частоте питающей сети натриевых ламп применяются в основном для уличного освещения, утилитарного, архитектурного и декоративного. Для внутреннего освещения производственных площадей используется, в случае если нет требований к высокому значению индекса цветопередачи источника света.

В зависимости от величины парциального давления паров натрия лампы подразделяют на лампы низкого давления и высокого давления.

Несмотря на свои недостатки, натриевые лампы являются одним из самых эффективных электрических источников света. Светоотдача натриевых ламп высокого давления достигает 150 люмен/Ватт, низкого давления - 200 люмен/Ватт. Срок службы натриевой лампы до 28,5 тыс. часов.[2] Пример натриевой газоразрядной лампы изображен на рис. 1.

Рис. 1. Натриевая газоразрядная лампа

светодиодный светильник газовый разряд

Достоинства натриевых ламп:

§  высокий уровень светоотдачи (до 130 лм/Вт);

§  длительный срок службы (до 12 000 ч.);

§  энергетическая экономичность;

§  Недостатки натриевых ламп:

§  плохая цветопередача (Ra = 20);

§  имеют большой пусковой ток;

§  долгое зажигание и перезажигание (до 10 мин.).[5]

Ртутные газоразрядные лампы представляют собой электрический источник света, в котором для генерации оптического излучения используется газовый разряд в парах ртути. Ртутные лампы являются разновидностью газоразрядных ламп. Для наименования всех видов таких источников света в отечественной светотехнике используется термин «разрядная лампа», включенный в состав Международного светотехнического словаря, утверждённого Международной комиссией по освещению. Этим термином следует пользоваться в технической литературе и документации.

В зависимости от давления наполнения, различают лампы низкого давления, высокого давления и сверхвысокого давления.

К лампам низкого давления относят ртутные лампы с величиной парциального давления паров ртути в установившемся режиме менее 100 Па. Для ламп высокого давления эта величина составляет порядка 100 кПа, а для ламп сверхвысокого давления - 1 МПа и более.[2]

Пример ртутной газоразрядной лампы изображен на рис. 2.

Рис. 2. Ртутная газоразрядная лампа

Преимущества ртутных газоразрядных ламп:

§  широкий диапазон мощностей;

§  достаточный уровень световой отдачи (30-60 лм/Вт);

§  большой срок службы (до 12000 ч.);

§  ртутно-вольфрамовые лампы не требуют пускорегулирующего аппарата;

§  компактные размеры.

Недостатки ртутных газоразрядных ламп:

§  плохая цветопередача;

§  имеют большой пусковой ток;

§  долгое зажигание и перезажигание (до 5 -10 мин.).[5]

Уличные светодиодные светильники (LED светильники). Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED. Он состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные LED мало похожи на первые корпусные LED, применявшиеся для индикации.

Принцип работы. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими. Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему?

Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области LED должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона.

Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения.

Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.[2]

Пример светодиодной лампы изображен на рис. 3.

Рис. 3. Светодиодная лампа для уличного освещения

Достоинства светодиодных ламп:

§  высокий уровень светоотдачи (от 80-120 лм/Вт);

§  длительный срок службы;

§  мгновенное включение, отсутствие мерцаний;

§  высокий индекс цветопередачи Ra>80;

§  широкий диапазон цветовых температур (2700-10000К);

§  отсутствует ультрафиолетовое излучение;

§  высокая виброустойчивость и ударопрочность;

§  низкое энергопотребление.

Недостатки светодиодных ламп:

§  высокая стоимость;

§  низкая предельная температура;

§  направленность свечения (для получения привычной для человека освещенности в помещении необходимо больше светильников, чем при использовании ламп накаливания и люминесцентных ламп);

§  для питания светодиодов от сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты;

§  Помимо перечисленных выше недостатков светодиодного освещения можно ещё одно замечание: наличие небольшого свечения светодиодной лампы (цоколь Е27) в отключенном состоянии выключателя, оснащённого подсветкой неоновой лампы, имеющей небольшой ток утечки (около 2-ух миллиампер).[5]

1.3 Выбор и обоснование инновационной технологии (технологии с элементами инноватики)

Чтобы определить какую технологию стоит задействовать в производстве, проведем анализ технологий с помощью матрицы выбора инноваций (табл. 1):

Таблица 1. «Матрица выбора инноваций»

Таким образом, стоит приступить к внедрению технологий производства LED светильников.

.        Особенности технологии производства светодиодных светильников

Рассмотрим уличный фонарь, в котором LED используются в качестве источника освещения и который позволяет свести к минимуму отклонение яркости в разных зонах освещаемой области, увеличивая площадь освещаемой области, а также яркость всей освещаемой области.

Уличный фонарь состоит из:

§  корпуса, расположенного на переднем торце опоры;

§  панели с множеством светодиодов, разнесенных друг от друга, расположенного внутри корпуса;

§  теплоотводящих устройств, отводящие тепло, создаваемое при излучении света светодиодов, плотно прилегающих к панели. Где множество светодиодов отличаются друг от друга разным уровнем яркости. Уровень яркости постепенно увеличивается от центра панели к краям панели. [6] На рисунке 4 изображен чертеж светодиодной лампы.

Рис. 4. Чертеж LED лампы

Технологический маршрут сборки светодиодов. Основная технология выращивания кристаллов - металлоорганическая эпитаксия, дл которой необходимо использование чистых газов. В современных установках присутствуют такие функции, как автоматизация и контроль состава газов, раздельные потоки для них, точная регулировка температуры газов и подложек. Диапазон толщин выращенных слоев контролируется и измеряется от десятков ангстрем до нескольких микрон. За один такой процесс длиною в несколько часов, можно вырастить структуры, которые умещаются на 6-12 подложках с диаметром 50-75 мм.

Один из важных пунктов данного процесса является контроль и обеспечение однородности структур, расположенных на поверхности подложек. Также немаловажным этапом данной технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Следующим этапом является преобразование их этих чипов в LED. Для этого необходимо смонтировать в корпусе кристалл, далее сделать контактные выводы и в конце изготовить оптические покрытия, просветляющие или отражающие поверхность для вывода излучения. Если LED белый, то люминофор наносится. Потом следует обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучении. Примерно половина стоимости светодиода определяется на этом этапе производства.

Традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять потребности производителей из-за того, что теплоотвода недостаточно, а все из-за необходимости увеличения мощностей, направленного на повышение светового потока. В связи с тем, что была необходимость максимального приближения чипа к теплопроводящей поверхности на смену пришла COB технология (chip on board). Светодиоды, выполненные по СОВ-технологии, монтируются непосредственно на общую подложку, которая также может быть в роли радиатора - при этом она изготавливается из металла. Пленку, которую вырастили на одной подложке, можно разделить на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2. Стоимость таких установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan и США Emcore), достигает 1,5 - 2 млн долларов.

Практика разных фирм показала, что за 1-3 года вполне можно научиться создавать на таких установках структуры с необходимыми параметрами. Именно так создаются LED модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму размером 50-75мм и быть жесткими или гибкими. Данная технология может удовлетворить любую прихоть дизайнера. Бывают и LED лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются LED сборки на круглом массивном радиаторе. Раньше в светодиодных сборках было очень много LED. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиод становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль. [7]

2.Управление процессом внедрения инновационной технологии в деятельность ОАО «Брестский электроламповый завод»

светодиодный светильник газовый разряд

Первый этап.

1.       Продажа устаревшего оборудования.

2.      За счёт продажи оборудования на территории предприятия появятся свободные помещения, которые можно преобразовать в сборочные цехи.

.        Закупка нового оборудования и оснащение площадей под сборку светодиодов.

.        Установление контактов с импортерами и поставщиками комплектующих.

.        Организовать обучение персонала по использованию нового оборудования.

.        Запуск сборочного производства

Объем инвестиций, необходимые на первом этапе составит около 37 млн. рублей.

По оценкам экспертов, внутренняя норма доходности подобного проекта составит около 147 % годовых.

Второй этап

Организация производства светодиодной продукции полного цикла:

1.       Продажа устаревшего оборудования. Ожидается освобождение площади 3500 кв. м.

2.      Затраты на приобретение лицензий - 80 млн. руб.

.        Покупка оборудования и оснащение цехов.

.        Затраты на покупку оборудования и их размещения - 320 млн. руб.

.        Монтаж и наладка оборудования

.        Затраты на монтаж и наладку оборудования составят приблизительно 2 млн. руб.

.        Организация обучения персонала. Прием на работу специалистов в области светодиодного приборостроения. Затраты: 1,5 млн. руб.

Суммарный объем инвестиций составит 500 млн. руб.

Ожидаемый срок окупаемости проекта составит от 1 до 2 лет.

Наличие собственных запатентованных технологий производства светодиодных ламп, новизна и актуальность продукции для страны, налаженные контакты с субподрядчиками, прямыми импортерами и поставщиками комплектующих должны стать основными предпосылками успешной реализации проекта.

Заключение

В данном курсовом проекте были рассмотрены современные технологии производства уличных светильников, а именно натриевые газоразрядные лампы, ртутные газоразрядные лампы и светодиодные светильники.

Был произведен анализ технологий, которые использует на ОАО «Брестском электроламповом заводе», за счет которого была определена наиболее выгодная инновационная технология производства.

Необходимость внедрения новой технологии связана с устаревшим оборудованием, экономией энергии, что повлечет за собой финансовую выгоду.

Также произведено исследование выбранной технологии с подробным описанием процесса ее реализации. Преимущества LED светильников в том, что они мало нагреваются, светодиоды излучают свет в узкой части спектра и имеют чистый цвет, механически прочен, надежен, его срок службы может достигать до 100 000 часов, и наконец, LED - низковольтный электроприбор, а значит, безопасный.

Эффективное использование энергии - ключ к успешному решению экологической проблемы - сохранение невозобновляемых источников энергии.

Результатом курсового проекта стали проектные, управленческие и организационные решения по внедрению технологии производства LED в деятельность ОAО «Брестского электролампового завода».

Использованная литература

1.          Справочная книга по светотехнике // Под ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: Энергоатомиздат, 1995.

2.      Свободная энциклопедия Wikipedia [Электронный ресурс]. URL: www.wikipedia.org

.        Энцклопедия Знаний Pandia [Электронный ресурс]. URL: www.pandia.ru

.        Официальный сайт «Брестского электролампового завода» [Электронный ресурс]. URL: www.brestlamp.by/ru/

.        А.Н. Романовский, статья «Виды источников света. Сравнительный анализ» [Электронный источник]. URL: http://www.ledsvet.ru/articles/vidy-istochnikov-sveta-sravnitelnyy-analiz/

.        Патент SU 702215, «Уличный фонарь» [Электронный источник]. URL: http://www.findpatent.ru/patent/70/702215.html

7.      А. Рябов, статья «Что такое LED?» [Электронный ресурс]. URL: http://www.ledel.ru/led_info/faq/

8.