ИЗМЕНЕНИЕ СВЕТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Применение одноцветных светодиодов в наружном и декоративном освещении получило широкое распространение за последние 2 десятилетия. Благодаря развитию этой отрасли удалось добиться качественного роста их световой эффективности и здесь прослеживается устойчивая тенденция к росту. Следующим шагом в этом направлении логически должно стать увеличение светового выхода полупроводников до уровня конкурентоспособности с источниками общего освещения.

Вопрос прихода светодиодов на рынок общего освещения и потенциальная доля его участия являются одним из наиболее обсуждаемых, делаются различные предположения по поводу цен и экономической эффективности. Очевидно, что главным критерием, определяющим этот процесс, является величина капитальных вложений в развитие технологии, от этого зависит темп и величина роста световой эффективности и изменение стоимости светодиодов.

Для того, чтобы определить зависимость между суммой инвестиций, светоотдачей, ценой на светодиоды и экономическим эффектом от замены светодиодами ламп накаливания и люминесцентных ламп, лабораторией Sandia National Laboratories (США) была построена следующая модель.

Структура модели изображена на рис. 2.18. В то время, как использование освещения традиционно измеряется числом потребляемых кВт*часов, конечный потребитель заинтересован в получении максимального количества люменов света. Общая потребность в освещении рассчитывается исходя из:

а) предполагаемой потребности в электроэнергии для каждого из трех секторов,

б) предполагаемого соотношения различных типов освещения в этих секторах,

в) предполагаемой световой эффективности различных типов ламп.

Например, лампа накаливания мощностью 100 Вт, обладая эффективностью 15 лм/Вт, будет производить 1500 лм света. То же количество света будет произведено люминесцентной лампой мощностью 20 Вт. Потребность в электроэнергии для каждого из трех секторов приведена в таблице 2.44, а эффективность используемых в секторах световых источников в таблице 2.45.

Рис. 2.18-Модель увеличения доли светодиодов на рынке общего освещения при условии инвестиций в технологические разработки.

В настоящей модели доля светодиодов на рынке общего освещения является функцией от их эффективности. Как только эффективность пойдет вверх, а цены – вниз, доля светодиодов на рынке начнет возрастать. Когда ее величина достигнет 10%, скорость распространения увеличится.

Трудно прогнозируемая цена на светодиоды целиком и полностью определяет спрос на них. Как правило, производственные затраты начинают снижаться по мере того, как отрабатывается технология, приобретается определенный опыт и увеличивается объем производства. Как это было в случае с компьютерными чипами, увеличение объемов производства повлекло за собой снижение производственных расходов и розничных цен, что немедленно отразилось на увеличении спроса, включая разработку новых продуктов, для которых требовались дешевые чипы. В случае со светодиодами предполагается аналогичное повышение спроса на них при уменьшении цены.

Таким образом, в описываемой модели доля светодиодов на рынке общего освещения для простоты приведена в прямую зависимость от их стоимости. В этом, кстати, состоит и слабое место предположений, т.к. если стоимость светодиодов будет падать не так быстро, как предсказывается, то и распространение светодиодов будет происходить много медленнее.

Для начала сравнивается общая потребность в электроэнергии для 2-х случаев – при освещении традиционными источниками и светодиодами. По итогам сравнения вычисляется потенциальная выгода от замещения светодиодами существующих ламп различной эффективности.

Общий спрос на освещение в 1995 году приведен в таблице 2.47, наряду со средней эффективностью существующих технологий освещения. Предположительно, 14,9% от всего количества освещения в 1995 году приходится на долю низкоэффективных источников со средней эффективностью 15 лм/Вт, которая останется неизменной на время действия модели. Высокоэффективные лампы производили в 1995 году остальные 84,1% света. Их светоотдача вырастет с 85 лм/Вт в 1995 году до 90 лм/Вт в 2025 г.

Таблица 2.47 - Потребность в освещении в 1995 году в США

Как уже говорилось ранее и иллюстрировалось на рисунке 2.14, самой большой неопределенностью в прогнозировании потенциальной доли светодиодов на рынке общего освещения является уровень, до которого возможно повысить их световую эффективность. Средств, уже затраченных и вновь инвестируемых в дальнейшие работы с монохромными светодиодами хватит, по крайней мере, для того, чтобы начать исследования в области белого цвета. В 2000 году эффективность белых светодиодов равнялась 20 лм/Вт и в течение 10 лет ее возможно довести до уровня 45 лм/Вт.

По мнению авторов модели, величина и скорость изменения эффективности светодиодов зависит от капитальных вложений в исследования следующим образом. Предположительно, чтобы светоотдача смогла превысить уровень в 45 лм/Вт, необходим объем инвестиций порядка 1 млрд. долларов. После того, как суммарный объем инвестиций достигнет 1 млрд. долларов, эффективность начнет линейно возрастать от 45 лм/Вт и в течение последующих 10 лет достигнет величины 200 лм/Вт. Эти предположения базируются на многочисленных научных изысканиях и дискуссиях о том, какой максимальной эффективности светодиодов можно добиться и какое финансирование необходимо для этого.

Хотя, даже если и не произойдет вышеупомянутый прорыв в сторону сверхэффективности, светодиоды постепенно начнут занимать все большую нишу среди источников света низкой световой эффективности, таких как лампы накаливания и галогенные лампы. В случае отсутствия крупных инвестиций, это произойдет через 10 лет после того, как совокупный объем вложений достигнет 500 млн. долларов:

t_{m, н.э.}= t₅₀₀ + 10

Для высокоэффективных источников освещения момент конкуренции с светодиодами наступит через 10 лет после того, как суммарный объем инвестиций в технологию достигнет 1 млрд. долларов:

t_{m, в.э.} = t₁₀₀₀ +10

В денежном выражении потребность в монохромном освещении составляла в 2000 году 400 млн. долларов. 4 крупнейших сегмента этого рынка составляют наружные экраны, дорожное освещение, автомобильные огни и декоративное (архитектурное) освещение. Три крупнейшие компании LumiLeds/Phillips, Osram/Cree, and GELcore/Uniroyal/GE, так называемая "Большая Тройка", в 2000 году контролировали 50% этого рынка в США. Предположительно, "Большая тройка" затратила в 2000 году 50-70 млн. долларов на разработки и исследования. Разумеется, было бы некорректным относить всю сумму инвестированного в исследования капитала только на долю белого цвета. На долю белых светодиодов приходится 6% средств, затраченных на исследования монохромных.

В итоге, улучшение эффективности светодиодов прямо пропорционально объему финансовых вложений в технологию. Есть 2 сценария развития – "слабое" инвестирование и масштабное (см. рис. 2.19), на уровне федеральной целевой программы.

Первый инвестиционный сценарий предполагает, что "Большая Тройка" вкладывает в исследования сумму, эквивалентную 10% от общей прибыли, из них на долю белого света придется 6%. В 2007 году прибыль составит 10% от всего оборота,

Прибыль растет, стартуя с текущего уровня 400 млн. долларов, на 15% ежегодно до 2007 года, пока не достигнет величины 10% от всего оборота. Соответственно, в 2000 году сумма вложений в исследования составит 12 млн. долларов, и вырастет к 2010 году до 49 млн. долларов. Совокупная величина инвестиций достигнет 1 млрд. долларов к 2017 году.

Второй инвестиционный сценарий предполагает, что государство принимает решение о целевом финансировании исследований в области светодиодной технологии в размере 500 млн. долларов, по 50 млн. долларов ежегодно, начиная с 2002 года. Сумма государственных инвестиций - 500 млн. долларов. В то же время "Большая Тройка" увеличивает свою долю в инвестициях до 60 -110 млн. долларов в год, вкладывая приблизительно 1 млрд. долларов за 10 лет. Таким образом, совокупная величина инвестиций достигнет отметки 1 млрд. долларов уже в 2008 году, т.е. на 9 лет раньше, чем в предыдущем сценарии.

Рис. 2.19-Изменение светоотдачи белых светодиодов при 2-х инвестиционных сценариях

Для того, чтобы занять долю от 10% до 90% от всего рынка освещения светодиодам потребуется: 6 лет для вытеснения низкоэффективных источников освещения и 8 лет – для высокоэффективных. Логично, что для утверждения в секторе высокой эффективности потребуется больше времени – высокоэффективные лампы традиционно обладают большим сроком службы и поэтому заменяются не так часто.