LED-tutkijan loistava tulevaisuus

Avaruudesta otetuista kuvista näkee, että sähkövalaistus on todellakin muuttanut maailmaa. Asutut seudut hehkuvat kirkkaana valomerenä maa­pallon pimeällä puolella. Pelkästään katuvaloja arvioidaan maa­pallolla olevan 220 miljoonaa.

Ne kuluttavat sähköä vuodessa 159 terawattituntia, noin 20 Loviisan ydinvoimalan vuosituotannon verran. Valaistukseen kuluu lähes 20 prosenttia kaikesta tuotetusta sähköstä.

Juuri nyt on käynnissä aikamoinen teknologiamurros, kun 1800-luvulla keksittyä hehkulampputekniikka ollaan korvaamassa ledeillä. Se ilahduttaa VTT:n tutkija Eveliina Juntusta. 

– Ledien paras puoli on niiden energiatehokkuus. Toki ne ovat myös pieniä kooltaan, kestäviä ja helposti integroitavissa erilaisiin valaisinrakenteisiin, hän listaa etuja.

Vauhtia energiadirektiiveistä

Teknologiamurrosta vauhdittaa lainsäädäntö. Hehkulamppujen myynti on jo kielletty EU:ssa, ja tänä vuonna EcoDesign-direktiivi lisää listalle katuvalaisimina käytetyt energiasyöpöt elohopealamput. Samaan aikaan led-valaisimien hinnat ovat romahtaneet kilpailevien katuvalaisinteknologioiden, monimetalli- ja suurpainenatriumlamppujen tasolle.

– Nyt led-valaisimet ovat hinnaltaan ja suoritus­kyvyltään sillä tasolla, että kaupungit uskaltavat investoida niihin, Juntunen sanoo.

Matti Meikäläisen energiansäästöinvestointeja jarruttaa monesti korkea aloituskustannus. Ostoskoriin sujahtaa helposti yhden euron halogeeni, vaikka led-lampun takaisinmaksuaika olisi vain pari vuotta.

– Kaupungit osaavat laskea elinkaarikustannukset. Nyt asennetaan jo huomattava määrä led-katuvaloja.

Juntusen väitöskirja etsi keinoja led-valaistuksen suorituskyvyn parantamiseen kahdella eri tavalla.  

Ensimmäinen oli ledien lämpökuorman pienentäminen. Kuten muullekin elektroniikalle, lämpö on myrkkyä ledeille. Kuumuus lyhentää käyttöikää ja heikentää niin ledien hyötysuhdetta kuin valon laatua. 

Toinen reitti energiatehokkuuden parantamiseen on valaisinten älykäs ohjaus. Perinteisillä valonlähteillä vaihtoehtoja on yleensä kaksi, päällä tai pois. Ledin kirkkautta säädetään ohjauselektro­niikalla, joten valoa voi annostella tarpeen mukaan.

Hyötysuhde kehittyi vauhdilla

VTT:n led-tutkijat eivät tee työtä yksin. Led-valaistusteknologian parissa tehdään töitä yliopistoissa ja yrityksissä ympäri maailmaa. Hyvä valaistuksen energiatehokkuuden mittatikku on, monenko lumenin valovirran yksi watti tuottaa. Vuonna 1879 keksityn hehkulampun vaatimaton hyötysuhde 1,5 lumenia/watti nousi 130 vuoden aikana arvoon 16 lumenia/watti. Vuonna 1938 lanseeratun loisteputken hyötysuhde parani 60 vuoden aikana 50 lumenista 100 lumeniin/watti. 

Ledien kehitysvauhti on edeltäjiinsä verrattuna huima. Ensimmäisten valkoisten ledien hyötysuhde vuonna 1996 oli luokkaa 5 lumenia/watti, tänään parhaat led-lamput yltävät arvoon 150 lumenia/watti. Teknologian kehittäjillä riittää kuitenkin vielä työsarkaa, sillä valkoisten ledien hyötysuhteen teoreettinen maksimi on 260–300 lumenia/watti.

– Led-valaistusteknologian kehittämisessä riittää työsarkaa, Juntunen myöntää.

Oman väitöstyön suosikkiartikkeli käsitteli led-valonlähteiden lämmönhallintaa. VTT:n tutkijat suunnittelivat metallisia läpivientejä, jotka johtivat lämpöä tehokkaasti led-sirusta alustaan. 

– Energiatehokkuudestaan huolimatta ledien energiankulutuksesta vain noin 30 prosenttia päätyy valoksi, 70 prosenttia lämmöksi. Perinteisistä valonlähteistä lämpö poistui pääasiassa säteilemällä, pienikokoisesta led-sirusta kaikki lämpö pitää johtaa pois. 

Lämmönjohtimilla lisää ikää

Hyvin lämpöä johtavia läpivientejä on hyödynnetty pitkään tehoelektroniikan jäähdytyksessä. 

– Ledeille ei löytynyt vastaavaa kaupallista ratkaisua.

Tekes-rahoitteisessa Produla-hankkeessa VTT:n tutkijat suunnittelivat piirilevyyn kupariset läpiviennit johtamaan lämpöä pois led-sirusta. Mittaukset paljastivat, että yrityskumppani Aspocompin valmistamat koekappaleet toimivat hyvin. Suoraan led-sirun alle  asennettuna lämpöläpiviennit alensivat lämpöresistanssia 55 prosenttia, valaisimen piirilevylle toteutetut lämmönjohtimet noin 30 prosenttia.

– Mitä lähempänä lämmönlähdettä lämmönjohdin on, sen tehokkaammin se toimii.

Lämpöresistanssin pieneneminen puoleen alku­peräisestä alensi testattujen led-sirujen lämpötilaa noin kymmenen astetta. Luku tuntuu pieneltä, mutta sillä on suuret vaikutukset. 

– Perinteisesti ajatellaan, että lämpötilan alentaminen pidentää valaisimen elinikää.

Hyödyn voi Juntusen mukaan ulosmitata led-valaisimista muillakin tavoin, ovathan 50 000 tuntia palavat ledit käytännössä lähes ikuisia. Esimerkiksi valaisinsuunnittelija voi hyödyntää tehostunutta jäähdytystä pienentämällä valaisimen kokoa. 

– Valaisin tulee toimeen pienemmällä jäähdytys­rivalla, tai sitä voidaan ajaa isommalla virralla ja saada enemmän valoa. 

Suoria kaupallisia sovelluksia tutkimuspaperilla ei ole, sillä Suomessa ei valmisteta komponentteja. VTT:n tutkimuksen painopiste onkin siirtymässä komponenteista kokonaisiin valaistusjärjestelmiin. Väitöstyön tuorein paperi syntyi led-valaistuksen energiatehokkuutta kehittäneessä AthLEDics-projektissa. Hankkeessa oli  mukana 17 partneria, muiden muassa Helsingin kaupunki ja Suomen tärkeimmät valaistusalan toimijat. 

– Vertailimme viittä kaupallista valaisintyyppiä VTT:n kehittämään älykkääseen valaisimeen.

VTT:n kehittämä kevyen liikenteen väylille suunniteltu led-valaisin tuotti valoa 96 lumenia/watti, kaupallisten led-valaisimien hyötysuhteet vaihtelivat välillä 54–79 lumenia/watti. Perinteistä valaisintekniikkaa vertailussa edustivat monimetallilamppu (59 lumenia/watti) ja suurpainenatrium-valaisin (54 lumenia/watti).

– Käytimme uusimpia led-komponentteja, suunnittelimme oman optimoidun optiikan ja  hyödynsimme korkean hyötysuhteen tehonlähdettä, Juntunen selittää tutkijoiden itse suunnitteleman led-valaisimen paremmuutta.

50 000 tuntia palavat ledit ovat käytännössä lähes ikuisia.

Älykäs ohjaus säästää eniten

Tutkimus osoitti, että sähkönkulutusta voidaan leikata hyvällä suunnittelulla ja uusimmilla komponenteilla. Suurimmat sähkönsäästöt saavutettiin kuitenkin valaistuksen älykkäällä ohjauksella. Koekenttänä toimi kevyen liikenteen väylä Helsingin Malminkartanossa. Huima 40 prosentin säästö sähkölaskussa saavutettiin yksinkertaisella keinolla: valaisutehoa laskettiin, jos väylällä ei ole kulkijoita.  

– Kun jalankulkija lähestyy valopylvästä, sensori havaitsee sen, nostaa valotehoa ja välittää tiedon seuraavalle valopylväälle, Juntunen kertoo.

Kulkijan takana valaistus himmeni jälleen viiden minuutin viiveellä. 

Mitä käyttäjät pitivät valotehon vaihtelusta? Sitä Malminkartanossa ei selvitetty, mutta Juntusen mukaan eräässä toisessa hankkeessa havaittiin, että moni ei edes havainnut käytävällä heitä seuraavaa "valokuplaa". 

– Jos se huomattiin, ilmiötä pidettiin miellyttävänä. Energiansäästö koetaan tärkeäksi.

Led-sirut ovat tuoneet aivan uusia mahdollisuuksia valaisinten suunnitteluun. Myös Juntunen on kiinnostunut paitsi energian säästöstä, myös siitä, miltä valaisimet näyttävät. 

– Olen aina ollut kiinnostunut sisustuksesta. 

Tämä kävi selväksi omassa talonrakennusprojektissa. Ei ole yllätys, että tutkijan kotona suositaan led-valaistusta.

Kenen kannattaisi lukea väitöstyö?  Juntunen suosittelee väitöskirjaansa esimerkiksi led-tekniikkaa hyödyntäville valaisinvalmistajille. Alan yrityksiä on Suomessakin aikamoinen joukko.

– Harmittaa, että monet led-valaisinvalmistajat imitoivat perinteisiä valaisintyyppejä. Kannattaisi sen sijaan hyödyntää ledien uusia ominaisuuksia.

Eveliina Juntusen väitöstyössä kehiteltyjen metallisten lämpöläpivientien avulla hukkalämpö siirtyi tehokkaasti pois led-sirusta. Kun lämmönjohtavuus paranee, voi valaisimen ja jäähdytysrivan kokoa pienentää.