Effizientes Licht
Multiphysikalische Simulationen helfen, Kosten und Energieverbrauch bei Hochdruck-Entladungslampen zu verringern.
Den Energieverbrauch zu reduzieren, ist eine der zentralen Aufgaben des 21. Jahrhunderts. Neben treibstoffeffizienten Fahrzeugen, Niedrigenergiebauweise bei Gebäuden und stromeffizienten elektrischen Geräten ist das Energieeinsparpotenzial in der Beleuchtungstechnik hoch. Weltweit wird der Energieverbrauch für Beleuchtung auf ungefähr 2800 TWh pro Jahr geschätzt, das sind 20 Prozent der global genutzten elektrischen Energie. Bei einer sehr konservativen Kostenabschätzung von 10 Cent pro kWh betragen die Energiekosten dafür 280 Milliarden Dollar pro Jahr. Jede Effizienzsteigerung bei den Leuchtmitteln, die sich global durchsetzen kann, ermöglicht also immense Energie- und Kosteneinsparungen. Neben den LEDs sind die sog. Hochdruck- oder High-Intensity-Discharge-Lampen (HID) eine vielversprechende Alternative für die Beleuchtung.
Hochdruck-Entladungslampen
Bei einer HID-Lampe liegt eine Wechselspannung zwischen zwei Elektroden und erzeugt einen Entladungsbogen durch ein Gas, das in einer hermetisch versiegelten Bogenentladungsröhre aus Quarz oder Keramik eingeschlossen ist (Abb. 1). Im Betrieb strahlt der Lichtbogen, der typischerweise Temperaturen von 5000 bis 6000 K erreicht, den größten Anteil des Lichts ab. HID-Lampen werden oft für die Beleuchtung von weiten Arealen verwendet, sowohl innerhalb von Gebäuden als auch im Freien, wo sie entsprechende Vorteile bei der Raum- und Energieeffizienz bieten.
Eine HID-Lampe mit einer Leistung von 175 Watt. Die Entladungsröhre enthält Quecksilberdampf.
Durch die systematische Modulation der Spannungsversorgung der Lampe werden darin Schallwellen erzeugt, die an den Wänden des Entladungsgefäßes reflektiert werden und bei resonanter Anregung dazu führen, dass sich stehende Schallwellen ausbilden. Diese wechselwirken mit dem Lichtbogen und verformen ihn. Dies kann grundsätzlich zwar zu unerwünschten Effekten führen [1], aber auch – bei geeigneter Anpassung der Akustik – zu einer Steigerung der Lampeneffizienz um 50 Prozent [2]. Eine solche Verbesserung entspricht allein für den amerikanischen Markt einer Energieersparnis von rund 50 TWh pro Jahr – soviel Energie wurde 2008 in den USA durch Windenenergie erzeugt.
Simulation in der Beleuchtung
Simulationsmethoden werden intensiv genutzt, um den Energieverbrauch bei Lampen zu reduzieren. Im ingenieurwissenschaftlichen Umfeld dienen sie häufig als Maßnahme zur Zeit- und Kosteneinsparung. Da sie vergleichbare Informationen liefern wie experimentelle Versuche, eignen sich Simulationsmodelle dafür, die Anzahl der benötigten Prototypen zu reduzieren. In einem Forschungsumfeld wie bei OSRAM soll die Simulation vor allem helfen, das Verständnis der vorliegenden physikalischen Phänomene zu erweitern.
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Thomas D. Dreeben und Lars Fromme
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