Od czasu odkrycia skuteczności bakteriobójczej UV w 1901 roku, dezynfekcję ultrafioletem przeprowadzano głównie przy użyciu niskociśnieniowych lamp rtęciowych.
Rtęć występuje w niskoprężnych lampach rtęciowych, co budzi obawy o zanieczyszczenie środowiska. Oczekuje się, że diody LED będą przyjazną dla środowiska technologią alternatywną, podobnie jak wymiana żarówek fluorescencyjnych na diody LED. Sprawność diod LED UV jest obecnie niższa niż niskociśnieniowych lamp rtęciowych, pomimo ich szybkiej corocznej poprawy. Ponieważ nie opracowano żadnej technologii zastępczej, niskoprężne lampy rtęciowe są zatem wyłączone z zakresu dyrektywy RoHS dla szczególnych zastosowań do dnia 24 lutego 2027 r. (poz. 4 lit. a)). Jeżeli zostanie wykazane, że po roku 2027 nie będzie dostępna żadna technologia zastępcza, zwolnienie to może zostać przedłużone. Czy naprawdę potrzebne jest przedłużenie? Według Nichii niektóre aplikacje mogą już teraz wykorzystywać diody LED, a prawie wszystkie będą mogły to zrobić do lutego 2027 r.
Nichia przedstawia tutaj przykład z życia wzięty, w którym bada się diody LED UV jako alternatywę dezynfekcyjną dla niskociśnieniowych lamp rtęciowych.
Dezynfekcja powierzchni przy użyciu niskociśnieniowych lamp rtęciowych → Studia przypadków zastosowania diod LED
Dezynfekcja powierzchni, dezynfekcja powietrza za pomocą oczyszczaczy, dezynfekcja wody i ścieków mieszczą się w obszarze dezynfekcji UV przy pomocy niskociśnieniowych lamp rtęciowych. Czyszczenie sprzętu i pojemników w przemyśle spożywczym jest częstym przykładem dezynfekcji powierzchni. W zakładach przetwórstwa spożywczego pojemniki napełnia się żywnością po wystawieniu na działanie światła UV w celu dezynfekcji wnętrza i zapobiegania rozwojowi zarazków i zanieczyszczeniu żywności.
Ilustracja pojemników na żywność narażonych na promieniowanie UV:
Niskociśnieniowe lampy rtęciowe emitują światło ultrafioletowe znad pojemników w celu jednoczesnej dezynfekcji wnętrza wielu pojemników na żywność. Dlatego też do pokrycia niskociśnieniowych lamp rtęciowych należy stosować topiony kwarc, aby zapobiec zanieczyszczeniu rtęcią i stłuczeniu szkła w przypadku awarii lampy.
Ilustracja promieniowania widzianego z góry:
W przeciwieństwie do niskociśnieniowych lamp rtęciowych, diod LED można używać do naświetlania samego obiektu światłem UV, ponieważ ich konfiguracje i położenie można dokładnie wybierać i zmieniać, jak pokazano na powyższym rysunku naświetlania. Z drugiej strony niskoprężne lampy rtęciowe emitują światło we wszystkich kierunkach, narażając przestrzenie pomiędzy poszczególnymi pojemnikami i tyłem lamp na dodatkowe światło UV.
Co więcej, ponieważ włączanie i wyłączanie niskoprężnych lamp rtęciowych zajmuje dużo czasu, należy je zawsze utrzymywać w stanie „włączonym”. Z drugiej strony diody LED zapewniają natychmiastowe włączanie i wyłączanie, co oznacza, że można je włączać tylko w razie potrzeby, co potencjalnie zmniejsza zużycie energii i emisję CO2.
W świetle powyższych informacji w poniższej tabeli przedstawiono wyniki porównania diod LED i niskoprężnych lamp rtęciowych.
Wynik badania
Moc wejściowa potrzebna do uzyskania takiego samego efektu dezynfekcji w wartościach rzeczywistych w tym przykładzie badawczym wynosi 600 W i 312 W.
Do przetestowania natężenia promieniowania i wydajności diody LED wykorzystano lampę UV LED 434C firmy Nichia.
Według Shikoku Electric Power CO., Inc. współczynnik emisji CO2 w roku finansowym 2021 wynosi 0,527 t/MWh.
W porównaniu do diod LED, które mają sprawność na poziomie 5,4%, niskoprężne lampy rtęciowe mają większą sprawność na poziomie 22%. Jednakże diody LED mogą wykorzystywać do 90% generowanego przez siebie promieniowania UV, podczas gdy niskoprężne lampy rtęciowe wykorzystują tylko 9%. Zatem w porównaniu do niskoprężnych lamp rtęciowych, które do uzyskania takiego samego efektu dezynfekcyjnego wymagają 600W energii elektrycznej, diody LED wymagają 312W. Ponadto diody LED można aktywować tylko w razie potrzeby. Na przykład, jeśli niskociśnieniowe lampy rtęciowe pozostaną włączone przez 18 godzin dziennie, diody LED można włączyć na 14 godzin. Zakładając, że każda lampa jest używana przez 300 dni, zużycie energii niskoprężnych lamp rtęciowych o mocy wejściowej 600 W wynosi 3,2 MWh rocznie, natomiast diody LED o mocy wejściowej 312 W zużywają 1,3 MWh rocznie, co stanowi redukcję o 60%. Dodatkowo do obliczenia emisji CO2 przyjęto emisję CO2 wynoszącą 0,527 tony na 1 MWh energii. Diody LED wytwarzają 0,69 tony CO2 rocznie w porównaniu do 1,7 tony w przypadku niskoprężnych lamp rtęciowych, co oznacza spadek o 60%.
Plan działania
Streszczenie
W tym studium przypadku wykorzystano cechy diod LED, takie jak wysokie wykorzystanie strumienia promieniowania poprzez selektywne oświetlenie tylko wymaganych obszarów i możliwość natychmiastowego włączania/wyłączania, aby osiągnąć zauważalne korzyści. Nichia może zatem jednoznacznie wykazać, że diody LED mogą służyć jako technologia zastępcza dla lamp rtęciowych niskociśnieniowych.
Oprócz powyższego przykładu Nichia będzie współpracować ze swoimi klientami i partnerami w celu stworzenia projektów wykorzystujących charakterystykę diod LED w innych zastosowaniach dezynfekcyjnych, takich jak dezynfekcja powietrza i wody. Nichia dołoży wszelkich starań, aby technologia LED zastąpiła niskoprężne lampy rtęciowe.
Ponadto, jak stwierdzono w planie działania, w ostatnich latach znacznie poprawiła się wydajność diod UV. Postęp technologiczny jest szybki ze względu na synergiczne oddziaływanie oczekiwań rozwojowych wobec diod LED, wynikających z ograniczeń środowiskowych i konieczności zwalczania chorób zakaźnych. W niektórych przypadkach zastosowanie diod LED zamiast niskoprężnych lamp rtęciowych jest już realizowane poprzez opracowanie projektu wykorzystującego możliwości diod LED. Zdaniem Nichii to, w połączeniu z imponującą poprawą podstawowych parametrów diod UV LED, spowoduje jeszcze większy trend, a diody LED UV staną się powszechnie akceptowane jako substytut niskociśnieniowych lamp rtęciowych we wszystkich zastosowaniach i dziedzinach dezynfekcji. W związku z tym nie będzie potrzeby przedłużania zwolnienia z dyrektywy RoHS poza rok 2027.
Oprócz pracy nad rozwiązaniem problemów społecznych, w tym utworzeniem społeczeństwa wolnego od rtęci i neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla, Nichia będzie w dalszym ciągu poprawiać wydajność diod LED.
