LED‐Straßenbeleuchtung in Einsatz Betriebssicherheit und Lebensdauer 30.3.2015 Kommunaler Energietag Sachsen KIT LICHTTECHNISCHES INSTITUT Dr. Rainer Kling Lichttechnisches Institut Karlsruhe KIT – University of the State of Baden-Württemberg and National Large-scale Research Center of the Helmholtz Association www.lti.kit.edu Motivation Straßenbeleuchtung in Deutschland NAV und HQL dominiert LED Anteil 10% Alter Leuchten Bestand Philips, Kling KIT KIT KIT Dr. Dr. Rainer Kling Dr. Rainer Rainer Kling Kling STADTLICHT STADTLICHT & & VERKEHR VERKEHR 26.11.2014 26.11.2013 Noch über 25% HQL Bestand! 30.03.2015 SeiteSeite 3 3 Seite 3 Motivation Modernisierung Straßenbeleuchtung Sanierung Teilsanierung Neuinstallation Maßnahmen Bestandsaufahme: Beleuchtungsanlage Unabhängige Lichtplanung und Projektüberwachung Ziele Energetische Sanierung > Betriebskosteneinsparung Langfristige Betriebssicherheit > Hohe Wartungsfaktoren KIT KIT KIT Dr. Dr. Rainer Kling Dr. Rainer Rainer Kling Kling STADTLICHT STADTLICHT & & VERKEHR VERKEHR 26.11.2014 26.11.2013 30.03.2015 SeiteSeite 4 4 Seite 4 Betriebssicherheit Leuchten LED Leuchten Sicherheit Anwendungsbezogen Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit Lebensdauer KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 55 Seite Sicherheitanforderungen Leuchten Persönliche Sicherheit Anlagenverfügbarkeit Anlagensicherheit Persönliche Haftung Anlagen‐ verantwortung Prüfklassen: Verkehrssicherheit Geprüfte Qualität Produkthaftung Retrofit Leuchte KIT Dr. Rainer KlingKling Dr. Rainer Normkonformität GS – Zeichen CE – Zeichen VDE – Zeichen TÜV Zeichen Licht2014 Gesundheit Photobiologisch Elektrisch Überspannung EMV 30.03.2015 SeiteSeite 6 6 Sicherheitsanforderungen Verkehrssicherheitspflicht § 823 ff BGB „Schadenersatz“ § 839 BGB, Art. 34 GG „Haftung bei Amtspflichtverletzung“ § 836 BGB § 14 Landesstraßengesetz Einhaltung der Gütekriterien Beleuchtungsniveau horizontale Beleuchtungsstärke Eh Gütekriterien: DIN EN 13 201 1‐4 Blendung KIT Dr. Rainer KlingKling Dr. Rainer Licht2014 30.03.2015 SeiteSeite 7 7 Sicherheitsanforderungen Anlage Standsicherheitsprüfung der Masten Standsicherheit visuell Prüfverfahren Mechanisches Biegeverfahren Ultraschall /Metall Schwingungsanalyse Empfehlung: ab 15 Jahre Alter Elektrische Anlagensicherheit Schaltschränke Leitungsnetz (Querschnitte, Längen, Iso.‐Widerstände) KIT Dr. Rainer KlingKling Dr. Rainer Licht2014 30.03.2015 SeiteSeite 8 8 Leuchten Schutz- und Prüfklassen Schutzklassen: 0 Kein Schutz I Schutzerdung II Schutzisolierung Prüfklassen VDE 0100 Teil 410, 412.1 III Schutzkleinspannung SELV, bis 50V DC, 120V AC DIN VDE 0570-2-6 KIT Dr. Rainer KlingKling Dr. Rainer Straßenbeleuchtung 30.09 2014 30.03.2015 SeiteSeite 9 9 LED Straßenleuchte Aufbau: Schematisch Real: Gehäuse LED Modul LED Chip Optik EVG DOW Abdeckscheibe Temperaturmanagement der Leuchte Temperaturmanagement der LED Chip KIT Dr. Rainer Kling LED Leuchte 30.03.2015 Seite 10 LED Leuchten Benchmark Straßenleuchten Ist-Stand: Lichttechnisches Institut Benchjmark 2014: LED Leuchten: • Lichtausbeuten: 90 - 110 - 120 lm/W • Wattagen: 20 W – 160 W HID Leuchten als Vergleich: • Lichtausbeuten: 80 -120 lm/W • Wattagen 20 W – 400 W KIT Dr. Rainer KlingKling Dr. Rainer Straßenbeleuchtung 30.09 2014 30.03.2015 SeiteSeite 11 11 Sichere und gute LED Straßenleuchten Sicherheit Erfüllung der Elektrotechnischen Normen Richtlinienkonformität Schutzart Photobiologische Sicherheit: IEC 62471 EMV Lichttechnik EN 13201 Entblendung Kein „Lichtsmog“ KIT Dr. Rainer KlingKling Dr. Rainer Schuch Licht2014 30.03.2015 SeiteSeite 12 12 Gute Straßenleuchten Montage‐/Wartungsfreundlichkeit Einfacher Wechsel EVG / LED‐Modul Wirtschaftlichkeit Kosten/Effizienz/ Lebensdauer Produktqualität und Ästhetik Thermomanagement Thermomanagement Leuchte Lebensdauer Schuch KIT Dr. Rainer KlingKling Dr. Rainer Licht2014 30.03.2015 SeiteSeite 13 13 Anforderungen LED Leuchten LED Leuchten Sicherheit Anwendungsbezogen Wirtschaftlichkeit Nachhaltigkeit Lebensdauer KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite14 14 Seite Lebensdauer Ausfallraten Ausfallformen: Ausfallarten: Ausfallraten über Zeit Ausfallrate / % Primärausfall Sekundärausfall Vollausfall Driftausfall sinkende Ausfallrate “konstante Ausfallrate” ansteigende Ausfallrate Frühausfall- gültiger Bereich Ausfallrate rate End-of Life Ausfallrate Vorbetriebs-Fertigungsfehler Betriebsausfall Frühausfall Normalausfall Mit Ausfallrate Zeit / h Ausfallrate = 1 / Mean Time to Failure (MTTF) Verschleiß Ausfall nach mittlerer Lebensdauer KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 15 LED von Chip zum Modul Viele LED Chip Hersteller Verschiedene Herstell-Verfahren Schnelle Chip Evolution und Generationswechsel Verschiedene LED Halbleiter Materialien Z.B. GaAsP/ InGaN auf verschiedenen Substraten Weißes Licht: Verschiedene Prinzipien und Aufbau Leistungsklassen: Low Power bis High Power Chips größer 1A Betriebsstrom Einzelchips, Module und Light Engines Standardisierung: Zhaga KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 16 LED und Lebensdauer Lebensdauer LED Einzel Chip: LM80 Tests bei Tc Betriebsstrom hat stärke Auswirkungen auf Lebensdauer als Temperatur Tj gestiegen bei neueren Chips! Chips L70B50 Werte: LD Tests auf 6.000 h und 10.000 h Werte auf 60.000 h extrapoliert LED Module L70B50 : Tc gestiegen auf über 100°C: LM80 Tests bei Tc LD Tests auf 10.000 h, teilweise bis 30.000 h Philips KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 17 Ursachen LED Chip Degradation Lichtstromrückgang (Degradation) und color drift LED Chip, Package LED Modul Optik Alterung Betriebstemperatur LED Betriebsstromstärke Thermische Anbindung Mechanische Beanspruchung Umweltaspekte KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 18 LED Modul Lebensdauer Beispiel LED Straßenbeleuchtungsmodul: Daten: Osram Prevaled LEP -10000-657-CT3 P = 78 W, U = 162 V, I = 0.425 A > großer Kühlkörper notwendig Tc max = 80°C, System- Lichtstrom 8165 lm, Systemeffizienz 112 lm/W CCT 5700K, CRI 65 L85 B10 = 60.000 h, 15000 Schaltzyklen Normen und Standards für Modul: Elektromagnetische Kompatibilität: EN 55015 , EN 61547, EN 61000-4-2, EN 61000-4-3 EN 61000-4-4,EN 61000-4-6 Photobiologische Sicherheit: IEC 62471 Sicherheit des LED-Moduls: EN 62031, UL 8750 Vibrations-, Bruchfestigkeit: EN 60068-2-6, EN 60068-2-21 Temperatur-, Korrosionsbelastung: JESD22-A105-C, JESD22-A101-C, JESD22-A103 EN 60068-2-2, EN 60068-2-11 KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 20 Seite 20 Wartungsfaktor Wartungsfaktor (maintenance factor) MF Lampenlichtstromwartungsfaktor (lamp lumen maintenance factor) LLMF (Chip degradation) Leuchtenwartungsfaktor (luminaire maintenance factor) LMF Lampenausfallfaktor (lamp survival factor) LSF (Leuchten Frühausfälle) MF = LLMF x LSF x LMF KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite21 21 Seite Wartungsfaktor LED Leuchte LED Chip Degradation MF = LLMF Ohne lt. Angabe des Lichtstromnachführung Leuchtenherstellers 1,0 Mit Lichtstromnachführung LED Leuchte x LSF 0,98* x lt. Angabe des Leuchtenherstellers 0,98* lt. Angabe des Leuchtenherstellers LED Leuchte 1-2 % Frühausfälle KIT Dr. Rainer Kling LMF 30.03.2015 *Osram Seite 22 Bespiele Leuchten Wartungsfaktor Bei L90 B10 – Statistische Betrachtung der LED Lichtströme: Best case: 90 % LED´s haben 100 % Lichtstrom 10 % LED´s = 89 % Lichtstrom (kein Ausfall) LLMF = 0.989 Durchschnitt-Fall: 10 % LED´s haben 95 % Lichtstrom 80 % LED´s = 90 % Lichtstrom 5 % LED´s = 70 % Lichtstrom 5 % LED´s = 1 % Lichtstrom LLMF = 0.85 Worst case: 90 % LED´s haben 90 % Lichtstrom 10 % LED´s = 1 % Lichtstrom LLMF = 0.81 KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 23 Ursachen LED Leuchtenausfall Ausfallursachen (total failure) LED Chip Herstellqualität LED Modul (Betrieb, Bestückung) Optik EVG (Aufbau, Lebensdauer Bauelement, Betriebsweise) Gehäuse mit Abdeckscheibe Anbindung Netz Thermomanagement Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit, Temperatur) KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 24 Überspannungsschutz und EMV Überspannungsfestigkeit Surge Überspannungsfälle Stromstöße: Inrush Current Maßnahmen Schutzschaltung an Eingang EVG Erdung Gehäuse Erdkabel Mast EMV LTI HV & EMV Test Abstrahlung: leitungsgebunden und Funk LTI: Kalibriertes EMV Messlabor EMV Leuchte IEC/EN 62493 (VDE 0848-493) EVG IEC/EN 61547 61000-3-2EC/EN KIT 25 Dr. Rainer Kling 29.11.2013 STADTLICHT & VERKEHR 26.11.2014 Seite25 Seite EVG Ausfallursachen LED EVG Ausfälle Bauelemente Platine Lötstellen Temperatur Tc Gehäuse: Tc LED Chip R C L IC Drift Ausfälle Gehäuse Tc EVG Platine VerbindungsBrüche Kurzschlüsse Wärmeeintrag Wassereintrag Überspannung Zuleitung Überspannung Stroßströme KIT Dr. Rainer Kling Lötstellen LEDModul Brüche, Zuleitung EVG 30.03.2015 Seite 26 Ausfallraten EVG Reale EVG Ausfallraten Straßenleuchten Angaben für konstante maximale Ausfallraten bei festem Tc: XA: Ausfallrate 1 % bei 100.000 h XB: Ausfallrate 5 % bei 100.000 h XC: Ausfallrate 10 % bei 50.000 h XD: Ausfallrate 10 % bei 30.000 h Bei 10°C Temperaturerhöhung über Tc: Verdopplung der Ausfallrate = Halbierung der Lebensdauer! KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 27 Ausfallraten LED Leuchten Reale Ausfallraten Straßenleuchten Verteilung auf Baugruppen: Beispiel: Straßenleuchten (6000 Stück): Ausfallrate 0.6% nach 6.200 h LTI 2014 KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 28 Leuchten Betriebssicherheit Anforderungen: Verfügbarkeit der Ersatzteile: 30 Jahre Geometrie und LED Anzahl bleibt gleich Lichtstrompakete über Lebensdauer gesichert EVG und LED Ersatz Lebensdauer in Abhängigkeit von der Temperatur (bei 5% Ausfallrate) Tc Angabe LVK im Eulumdat – Format Lebensdauer Treiber (5% Ausfallrate) KIT Dr. Rainer Kling 30.03.2015 Seite 29 Zusammenfassung Viele LED‐Leuchten sind ausgereift und zeichnen sich durch hohe Wirtschaftlichkeit aus. Betrieb der Leuchte: Sicherheit und Lebensdauer neben Funktion, Lichttechnik, Wirtschaftlichkeit und Ästhetik Unabhängige Lichtplanung ist unabdingbar. Angaben der Hersteller sind zu hinterfragen. KIT KIT Dr.Rainer RainerKling Kling Dr. STADTLICHT & VERKEHR 26.11.2014 30.03.2015 Seite 3030 Seite 30 Seite Kontaktdaten: Dr.-Ing. Rainer Kling Universitätsdozent für Lichttechnik, Lichtplanung und Elektronische Betriebsgeräte Lichttechnisches Institut Karlsruher Institut für Technologie KIT Engesser Str. 13 76131 Karlsruhe Tel.: +49-721-6084-2537 Fax: +49-721-6084-2590 Mail: [email protected] KIT KIT KIT Dr.Rainer RainerKling Kling Dr. Dr. Rainer Kling STADTLICHT & VERKEHR 29.11.2013 30.03.2015 30.03.2015 31 SeiteSeite 31 Seite
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