Kaum ein anderes Thema wird derzeit in dem Arbeitsgebiet der Beleuchtung so häufig diskutiert wie deren energetisches Einsparpotenzial und Wirtschaftlichkeit. Konventionelle Lampen wurden aufgrund energetischer Anforderung vom Markt verdrängt und bei den Kompaktleuchtstofflampen treten Schwierigkeiten mit der Entsorgung auf. Daher scheinen sich zurzeit die LED als energieeffiziente Lösung für die Beleuchtung mit längerer Lebensdauer durchzusetzen. Wie sieht es jedoch mit ihrer Beleuchtungsqualität aus? Wie energie- und kosteneffizient sind die LEDs? Die Antwort auf diese Fragen sollte auf einer ganzheitlichen und objektiven Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basieren. Die Höhe der tatsächlichen Investitionskosten und der Lichtstromdegradation der LEDs sollte berücksichtigt werden. Daneben ist die tatsächliche Beleuchtungsdauer der Beleuchtungsanlage unter Berücksichtigung der genormten Beleuchtungsstärke zu beachten. Zur Veranschaulichung wird eine Beleuchtungssimulation in einem Raum betrachtet. Zur Diskussion stehen zwei Beleuchtungs-Varianten: eine LED-Variante und eine konventionelle Variante mit Leuchtstofflampen. In der Wirtschaftlichkeitsberechnung werden die Kosten für die Beleuchtung über einen Zeitraum von 18 Jahren verglichen.
Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Degradation des Lichtstroms von LED-Produkten über die Zeit zu verstehen und den Einfluss der Lichtstroms-Degradation von LEDs auf die Wirtschaftlichkeit zu untersuchen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit
2 Geschichte der LED
3 Aufbau und Funktionsweise von LEDs
3.1 T-Type LED
3.2 SMD-LED
3.3 COB-LED
4 Wesentlichen Eigenschaften von LEDs
4.1 Elektrische Eigenschaften
4.2 Optische Eigenschaften
4.3 Thermische Eigenschaften
4.4 Mechanische Eigenschaften
5 Erzeugung von weißem Licht im Halbleiter
5.1 Wellenlängenkonversion mit Phosphoren (Phosphorkonversions-Technologie)
5.2 Multichip-Lösungen (RGB-Technologie)
6 Stand der Technik
7 Zuverlässigkeit von LEDs
7.1 Lebenszyklus
7.2 Lebensdauer
7.2.1 Lebensdauer bei Lichtstromdegradation (LxBy)
7.2.2 Lebensdauer bei Totalausfall (LxCy)
7.2.3 Lebensdauer bei Kombination von Lichtstromdegradation und Totalausfall (LxFy)
7.3 Einflussfaktoren auf die Lebensdauer von LEDs
7.3.1 Temperatur
7.3.2 Betriebsstrom
7.3.3 Weitere Einflussfaktoren
8 Hauptkriterien zur Auswahl der LED-Leuchte
8.1 Lichtausbeute
8.2 Farbwiedergabeindex und Farbtemperatur
9 Aktueller Stand der Normen
10 Wartung von Beleuchtungsanlagen
10.1 Lampenlichtstromwartungsfaktor (LLMF)
10.2 Lampenüberlebensfaktor (LSF)
10.3 Leuchtenwartungsfaktor (LMF)
10.4 Raumwartungsfaktor (RSMF)
11 Vordimensionierung der Beleuchtung
12 Bewertung von Beleuchtungsvarianten in der Bibliothek
12.1 Analyse des Raums
12.2 Analyse der Art der Sehaufgabe
12.3 Festlegung der Parameter für die Energiebewertung
12.4 Auswahl von Leuchten
12.4.1 LED-Leuchte
12.4.2 T16 (T5)-Leuchte
12.5 Vorgehensweise
12.6 Beleuchtungssimulation mit LED-Leuchten
12.7 Beleuchtungssimulation mit T16 (T5)-Leuchtstofflampen
12.8 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
13 Diskussion der Ergebnisse
14 Zusammenfassung
15 Technologie-Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, das Verständnis für die Lichtstromdegradation von LED-Produkten über die Nutzungsdauer zu vertiefen und deren konkrete Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit von Beleuchtungsanlagen zu untersuchen. Im Fokus steht dabei die Forschungsfrage, ob und inwiefern sich der Einsatz von LED-Leuchten in einem praxisnahen Anwendungsszenario – der Beleuchtung einer Bibliothek – über einen Zeitraum von 18 Jahren im Vergleich zu konventionellen Leuchtstofflampen als kosteneffizient erweist.
- Physikalische Grundlagen und verschiedene Bauformen von LEDs
- Methodik zur Bestimmung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von LEDs
- Einflussfaktoren auf die Degradation, insbesondere thermische Aspekte
- Durchführung einer Beleuchtungssimulation für eine Beispielbibliothek
- Wirtschaftlichkeitsvergleich mittels Annuitätenmethode
Auszug aus dem Buch
7.3.1.2 Sperrschicht-Temperatur TJ (Junction temperatur)
Der Lichtstrom hängt stark von der Sperrschicht-Temperatur Tj ab. Erhöht sich die Sperrschicht Temperatur Tj sinkt der Lichtstrom ab [36]. Die Abhängigkeit des Lichtstroms von der Sperrschicht Temperatur Tj lässt sich durch die folgende Formel beschreiben [3]:
Φ = Φ(T1) · e−kT(T2−T1) (4)
Φ = Lichtstrom der LED
T1 = Temperatur vor dem Erwärmen der LED
T2 = Temperatur nach dem Erwärmen der LED
kT = Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient kT ist dabei vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig und beträgt ca. 10−2 K−1.
Das unten gezeigte Diagramm zeigt die Abhängigkeit des Lichtstroms einer LED von der Betriebsdauer bei unterschiedlicher Sperrschicht-Temperatur. Mithilfe dieses Diagramms kann der zu erwartende Lichtstrom nach einer bestimmten Betriebsdauer ermittelt werden.
Die Sperrschicht-Temperatur TJ ist für jede Leuchte, je nach Systemleistung und Betriebsstrom unterschiedlich. Sie ist meistens in Herstellerkataloge nicht zu finden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit: Einführung in das Thema der energieeffizienten Beleuchtung und Definition der Zielsetzung hinsichtlich der Untersuchung von Lichtstromdegradation und Wirtschaftlichkeit.
2 Geschichte der LED: Darstellung der historischen Entwicklung der LED von der Entdeckung der Elektrolumineszenz bis zur modernen weißen Hochleistungsleuchtdiode.
3 Aufbau und Funktionsweise von LEDs: Erklärung der elektronischen Halbleitergrundlagen und Vorstellung der wesentlichen Bauformen wie T-Type, SMD und COB.
4 Wesentlichen Eigenschaften von LEDs: Analyse der physikalischen (elektrischen, optischen, thermischen und mechanischen) Eigenschaften, die die Funktion von LEDs maßgeblich beeinflussen.
5 Erzeugung von weißem Licht im Halbleiter: Beschreibung der technologischen Ansätze zur Weißlichterzeugung mittels Phosphorkonversion oder Multichip-RGB-Systemen.
6 Stand der Technik: Überblick über die gesteigerte Effizienz und die daraus resultierende breitere Anwendungspalette von LEDs in verschiedenen Industriezweigen.
7 Zuverlässigkeit von LEDs: Detaillierte Betrachtung der Ausfallwahrscheinlichkeit, Lichtdegradation und Lebensdauer unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren wie Temperatur und Betriebsstrom.
8 Hauptkriterien zur Auswahl der LED-Leuchte: Definition der Auswahlkriterien Lichtausbeute, Lebensdauer sowie Farbwiedergabeindex und Farbtemperatur.
9 Aktueller Stand der Normen: Zusammenstellung der für LED-Anwendungen relevanten internationalen und europäischen Standards und Entwürfe.
10 Wartung von Beleuchtungsanlagen: Einführung der Wartungsfaktoren, die notwendig sind, um den Beleuchtungsstärkerückgang durch Alterung und Verschmutzung zu kompensieren.
11 Vordimensionierung der Beleuchtung: Vorstellung des Raumindex-Konzepts und des Wirkungsgradverfahrens zur groben Bestimmung der benötigten Leuchtenanzahl.
12 Bewertung von Beleuchtungsvarianten in der Bibliothek: Praktische Fallstudie zum Vergleich von LED- und T16-Leuchtmitteln in einer Bibliothek hinsichtlich technischer Anforderungen und Wirtschaftlichkeit.
13 Diskussion der Ergebnisse: Kritische Analyse der Ergebnisse aus der Simulation und der Wirtschaftlichkeitsberechnung unter Berücksichtigung der Stärken und Schwächen der gewählten Methode.
14 Zusammenfassung: Resümee über die Bedeutung der LED-Lebensdauerangaben und die aktuelle Wirtschaftlichkeit von LED- gegenüber Leuchtstoff-Lösungen.
15 Technologie-Ausblick: Vorausschau auf künftige Entwicklungen und die potenzielle Kombination von LED- und OLED-Technologien.
Schlüsselwörter
LED, Wirtschaftlichkeit, Lichtstrom, Lichtstromdegradation, Lebensdauer, Beleuchtungsanlage, Energieeffizienz, Wartungsfaktor, Bibliotheksbeleuchtung, Leuchtstofflampe, Annuitätenmethode, Sperrschichttemperatur, Lichtausbeute, Farbwiedergabeindex, Farbtemperatur
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die Wirtschaftlichkeit von LED-Bürobeleuchtung. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf dem Lichtstromrückgang, der durch die Alterung der Lampen über eine lange Nutzungsdauer entsteht.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Felder umfassen die physikalischen Grundlagen der LED-Technik, die Definition und Bestimmung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowie die praxisorientierte Bewertung von Beleuchtungssystemen in einem realen Raum.
Welches primäre Ziel bzw. welche Forschungsfrage steht im Mittelpunkt?
Das Ziel ist es zu verstehen, wie die Degradation des Lichtstroms bei LEDs funktioniert und wie sich dieser Prozess auf die ökonomische Effizienz der Beleuchtung über einen Zeitraum von 18 Jahren auswirkt.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Bewertung herangezogen?
Die Arbeit nutzt zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung die Annuitätenmethode. Zudem werden computergestützte Beleuchtungssimulationen durchgeführt, um die Einhaltung normativer Beleuchtungsanforderungen sicherzustellen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in technische Grundlagen zur Funktionsweise und Zuverlässigkeit von LEDs, die theoretische Erläuterung der Wartung von Beleuchtungsanlagen und eine detaillierte Fallstudie zur Beleuchtung einer Bibliothek.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Schlagworte sind LED, Wirtschaftlichkeit, Lichtstromdegradation, Lebensdauer, Energieeffizienz, Wartungsfaktor und Beleuchtungssimulation.
Wie wirken sich thermische Faktoren auf die Lebensdauer von LEDs aus?
Eine schlechte Entwärmung und damit hohe Sperrschichttemperaturen führen zu einer signifikanten Verringerung der Lebensdauer und verschieben die optischen Parameter, was die Zuverlässigkeit des gesamten Systems beeinträchtigt.
Welches Ergebnis liefert die Fallstudie zum Kostenvergleich in der Bibliothek?
Obwohl die LED-Lösung in der Anschaffung teurer ist, zeigt die Untersuchung, dass sie im Betrieb deutlich energieeffizienter ist als die T16-Variante, was die laufenden Betriebskosten massiv senkt.
- Quote paper
- Abdias Mbeusseune (Author), 2014, Wirtschaftlichkeit von LED-Bürobeleuchtung unter Berücksichtigung des Lichtstromrückgangs aufgrund von Lampenalterung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/273722
