XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Энергоэффективная школа: использование энергосберегающих ламп
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
У нас в школе регулярно проводятся классные часы, беседы, акции на тему бережного отношения к энергоресурсам, в ходе которых обсуждаются проблемы энергосбережения и пути их решения. К началу холодов в каждом учебном кабинете производится утепление окон, в каждом классе из числа учащихся назначен ответственный за своевременное выключение света, старые лампы накаливания заменяются энергосберегающими лампами.
Меня заинтересовал использование энергосберегающих ламп, и я решил провести исследовательскую работу, в ходе которой хотел выяснить, какую экономическую выгоду можно получить при замене ламп накаливания на энергосберегающие лампы.
За помощью обратился к учителю физики Валишину Илгизу Фаниловичу. К тому же он является и директором школы.
23 ноября 2009 года Д. А. Медведев подписал принятый ранее Госдумой закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Согласно документу, с 1 января 2011 года не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более.
Актуальность работы.
В современном мире с каждым днем увеличивается потребность в электроэнергии, поэтому спрос на энергосберегающие технологии очень высок. К тому в нашей стране установилась рыночная экономика и с каждым годом цены на электроэнергию растут. Это тоже один из аспектов, который вынуждает обращаться к экономии электроэнергии.
Цели работы:
Изучение устройства и принципа действия энергосберегающих ламп.
Сравнение мощности и светоотдачи энергосберегающих ламп и ламп накаливания.
Определение лучших сторон изучаемых ламп от ламп накаливания.
Гипотеза: энергосберегающие лампы более экономичны и обладают большей светоотдачей, чем лампы накаливания притой же мощности.
Задачи:
Определить достоинства и недостатки энергосберегающих ламп.
Доказать экономичность ламп при их использовании.
Рассчитать экономию электроэнергии и финансовых средств.
Рассмотреть вопрос об утилизации экономичных ламп.
Подтвердить экспериментально одинаковую освещенность энергосберегающих ламп и ламп накаливания разной мощности.
Методы исследования:
Изучение.
Измерение.
Вычисление.
Сравнение.
1. История изобретения ламп накаливания и энергосберегающих ламп
В 1780 году появились первые водородные лампы с электрическим зажиганием. Спустя четверть века ученым удалось добиться свечения накаленной проволоки из платины или золота. Тогда же наш соотечественник В.В. Петров создал дугу, светящуюся между двумя угольными стержнями. В 1811 году в мире появились первые газовые лампы, а по истечении тридцати лет немецкий физик Грове стал использовать электрический ток для подогрева нити накала. Началась эпоха электричества, а слова «свет» и «огонь» стали означать далеко не одно и тоже. В 1845 году в Лондоне Кинг получил патент «Применение накаленных металлических и угольных проводников для освещения». Там же в Англии в 1860 году появились и ртутные разрядные трубки.
В 1872 году родилась первая лампа накаливания, подытожившая тысячелетние поиски и совершившая революцию в технике освещения. Случилось это на русской земле, а первым, кто догадался выкачать из стеклянной колбы воздух, поместив туда угольный стержень, накалявшийся под действием тока, был гениальный русский ученый Александр Николаевич Лодыгин. 20 мая 1873 года на Одесской улице в Санкт-Петербурге зажглись восемь фонарей с его лампами новой конструкции.
Увы, в России всегда умели создавать, но редко умели патентовать: лавры Лодыгина достались Томасу Алве Эдисону, который спустя еще семь лет приобрел соответствующий патент. До Эдисона улицы городов уже вовсю освещались дуговыми лампами, а в домах пользовались газовыми рожками. Эдисон всего лишь соединил проводами в одну схему лампочку Лодыгина, электрогенератор, розетку и вилку! Последующие 70-80 лет прошли под знаком усовершенствования ламп накаливания, в частности, замены угольного стержня вольфрамовой спиралью. Продолжалась и опытная разработка таких источников света, как ртутные, галогенные, натриевые и ксеноновые лампы. Все эти опыты были связаны с несовершенствами ламп накаливания. Являясь лучшими для своего времени, они, тем не менее, обладали рядом очевидных недостатков и, прежде всего, низкой световой отдачей. В частности, у первых ламп накаливания световая отдача составляла всего 1,5 люмена на ватт. Сейчас она увеличена в 10 раз и составляет 10-15 лм/Вт.
В середине прошлого века стало понятно, что наиболее эффективной заменой лампам накаливания оказываются люминесцентные лампы, разработка и производство которых связано с именем замечательного русского ученого С.И. Вавилова. Именно под его руководством был разработан люминофор, преобразующий ультрафиолетовое излучение в видимое. В 1951 году Сергей Вавилов вместе с рядом других ученых за разработку люминесцентных ламп был удостоен Государственной премии СССР. Сейчас применение люминесцентных ламп, и прежде всего их основательно модернизированного типа — компактных люминесцентных ламп — является наилучшим решением задач освещения.
Еще одним видом энергосберегающих ламп являются светодиодные лампы. Создателем полноценного светодиода стал Ник Холоньяк-младший, создавший в 1962 году полноценный LED-светодиод, излучающий видимый красный свет. Именно Холоньяк считается «отцом» светодиодных ламп. Через 10 лет его ученик Джордж Крафорд создал первый светодиод, излучающий желтый свет, а также десятикратно усилил яркость красных и оранжево-красных светодиодов. Десятилетия светодиоды активно использовались в бытовой и промышленной электронике, но никак не для освещения помещений. Идея создания полноценных светодиодных ламп, способных освещать наши дома лучше, чем любые «лампы Ильича», возникла у Сюдзи Накамура, работавшего на японскую компанию «Nichia Corporation» — именно под его руководством инженеры компании создали в 1993 году первый синий светодиод высокой яркости. Первый светодиод, испускающий яркий белый свет, был создан не так давно — в 1997 году, его создателем стал американский инженер Фред Шуберт.
Сегодня энергосберегающие светодиодные лампы уже существуют, но все еще проходят совершенствование, ведь первые светодиоды, интенсивность света которых стала равна и, в последствии, превысила яркость ламп с нитью накаливания, появились лишь в начале XXI века.
2. Устройство лампы накаливания и энергосберегающих ламп
В лампе накаливания (рисунок 1, а) основной частью конструкции является тело накала 3, которое под действием электрического тока нагревается вплоть до появления оптического излучения. Крепление тела накала внутри лампы осуществляется при помощи электродов 6, обычно удерживающих его концы. Через электроды также осуществляется подвод электрического тока к телу накала, то есть они являются еще внутренними звеньями выводов. При недостаточной устойчивости тела накала используют дополнительные держатели 4. Держатели посредством впайки устанавливают на стеклянном стержне 5, именуемым штабиком, который имеет утолщение на конце. Штабик сопряжен со сложной стеклянной деталью – ножкой. Ножка, она изображена на рисунке 1, б, состоит из электродов 6, тарелочки 9, и штенгеля 10, представляющего собой полую трубочку, через которую откачивается воздух из колбы лампы. Общее соединение между собой промежуточных выводов 8, штабика, тарелочки и штенгеля образует лопатку 7. Соединение производится путем расплавления стеклянных деталей, в процессе чего проделывается откачное отверстие 14 соединяющее внутреннюю полость откачной трубки с внутренней полостью колбы лампы. Для подвода электрического тока к нити накала через электроды 6 применяют промежуточные 8 и внешние выводы 11, соединяемые между собой электросваркой.
Рисунок 1. Устройство лампы накаливания (а) и ее ножки (б)
Для изоляции тела накала, а также других частей лампы от внешней среды, применяется стеклянная колба 1. Воздух из внутренней полости колбы откачивается, а вместо него закачивается инертный газ или смесь газов 2, после чего конец штенгеля нагревается и запаивается.
Для подвода к лампе электрического тока и ее крепления в электрическом патроне лампа оборудуется цоколем 13, крепление которого к горлу колбы 1 осуществляется при помощи цоколевочной мастики. На соответствующие места цоколя припаивают выводы лампы 12.
Энергосберегающая лампа состоит из двух основных частей: газоразрядной колбы и пускорегулирующего устройства (рисунок 2).
Газоразрядная колба выполняется различной формы (U-образной, спиральной). Изнутри колба покрыта люминофором, в концы колбы впаяны две спирали.
Рисунок 2. Устройство энергосберегающей лампы
Пускорегулирующее устройство выполнено на полупроводниковых элементах и представляет собой импульсный преобразователь напряжения переменного напряжения 220 вольт в переменное напряжение порядка 400 вольт.
О
сновными элементами светодиодной лампы являются светодиоды –полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток в световое
Рисунок 3. Устройство светодиодной лампы
излучение. Любой светодиод состоит из не проводящей ток подложки, на которую уложен полупроводниковый кристалл — оба этих элемента заключены в корпус с выводами контактов с одной и линзой из пластика с другой стороны. Свободное пространство между линзой и кристаллом заполнено бесцветным силиконом, конструкция светодиода закреплена на алюминиевом основании, отводящем тепло и придающем светодиоду большую жесткость.
3. Преимущества и недостатки ламп накаливания и энергосберегающих ламп
Преимущества и недостатки лампы накаливания зависят от того, насколько правильно выбрана лампа и в каких условиях она эксплуатируется. Важным преимуществом данного типа ламп является то, что они представлены в очень широком ассортименте – современный рынок предлагает лампы накаливания различной мощности, напряжения, типа, которые могут быть приспособленными к определенным условиям применения. Лампа включается непосредственно в сеть и не требует использования никаких дополнительных аппаратов.
Лампы накаливания могут работать даже при серьезных отклонениях напряжения сети от номинального, хотя, резко меняют свои характеристики, сокращается срок их службы. Лампы практически полностью независимы от условий окружающей среды, температуры, повышения уровня влажности и т.д., поэтому могут использоваться в любых помещениях и даже в самых сложных условиях.
Из недостатков лампы накаливания следует выделить то, что к концу срока службы незначительно снижается световой поток (до 15%). Также к минусам относят низкую световую отдачу, ограниченный срок службы ламп, преобладание в спектре излучения желто-красной части спектра, большую зависимость всех характеристик ламп от подводимого напряжения. Так, чем выше напряжение, тем более короткий срок службы лампы, тем более ярко она светит.
К преимуществам и недостаткам энергосберегающих ламп надо отнестись внимательно. Главные преимущества:
• Энергосберегающие лампы дают большую отдачу света при меньшем потреблении энергии особенно, в зимнее время, когда лампа реже выключается. В обычной лампе практически вся энергия уходит на разогрев нити накаливания.
• У этих ламп значительный срок службы лампы - от 6 до 15 тысяч часов работы, что в 20 раз больше, чем у обычной лампы накаливания.
• Имеется возможность выбора типа свечения (теплый, холодный или нейтральный).
• Незначительное нагревание лампы, благодаря чему остается неповрежденной пластмассовая часть патрона светильника и его провод.
• Равномерное свечение лампы, которое обеспечивается встроенным, почти у всех производителей, конденсатором, поддерживающим постоянную частоту и интенсивность разрядов в лампе (до 50 тысяч раз/сек при 50 кГц). Т.е. риск мерцания энергосберегающих ламп существенно снижен.
Недостатки энергосберегающих ламп и их минусы:
• Энергосберегающие лампы имеют большую чувствительность к скачкам напряжения в сети и из-за этого могут быстро перегореть.
• В излучении лампы отсутствует часть спектра, что может вызывать искажение цветового восприятия и как следствие - усталость глаз, особенно, при длительном чтении. Поэтому нежелательно использование энергосберегающей лампы в настольных светильниках.
• Энергосберегающая лампа требует некоторого времени для полного разогрева (до 2-х минут). при истощении ресурса лампы (при частом включении) возможно мерцание лампы.
• Вред от энергосберегающих ламп тоже имеется. Это ультрафиолетовое излучение (расстояние от лампы до человека должно быть не менее 30 см). Вот почему в жилых помещениях не желательно использовать энергосберегающие лампы мощностью более 22 Вт.
• Чувствительность к температуре. Если минус 15-20 градусов – лампа не работает, при повышенной температуре воздуха теряется интенсивность освещения.
• Возможный вред энергосберегающих ламп заключается в том, что они, оказываются, содержат ртуть и фосфор. Использованную, а тем более поврежденную лампу требуется утилизировать.
• Ну и, наконец, высокая цена, которая окупается только в режиме стабильного включенного состояния лампы, что в бытовых условиях обычно мало выполнимо.
Существующие на сегодня светодиодные лампы также обладают как преимуществами, так и недостатками — их разработка до полноценного источника света еще не завершена.
Положительные характеристики:
наименьшее, по сравнению с любыми другими типами бытовых ламп, потребление электроэнергии — в 8-10 раз меньшее, чем у ламп с нитью накаливания;
высокая световая отдача, порядка 120 люменов на каждый затраченный ватт энергии. Для сравнения светоотдача «ламп Ильича» составляет от 10 до 24 лм на каждый ватт, у люминесцентных ламп — от 60 до 100 лм на ватт;
наивысший, по сравнению с любыми другими лампами освещения, срок службы порядка 50 000 часов, при условии качественного построения самой светодиодной лампы и применении в ее изготовлении высококачественных материалов;
получение различных характеристик спектра без использования светофильтров, т.е. по аналогии с лампами накаливания;
прочность и безопасность для пользователей. Светодиодная лампа при случайном падении не разобьется и не будет повреждена, т.е. осколков стекла, характерных для подобной ситуации с любой другой осветительной лампой, не будет. Ее элементы не содержат сколько-нибудь опасных компонентов химического происхождения, присутствующих, к примеру, в люминесцентных лампах;
не зависит от количества включений и отключений, в случае других ламп количество включений-отключений серьезно влияет на продолжительность службы;
безопасна в работе — не требуется ток высокого напряжения, наибольшая температура светодиода и ограждающей арматуры не превысит 60 °С.
Отрицательные характеристики:
высокая цена. Стоимость светодиодных ламп на сегодня превышает стоимость люминесцентных ламп аналогичной мощности в 8-10 раз. Снижение розничной цены без потери качества — главная задача производителей светодиодных ламп;
потребность в отводящем тепло радиаторе. Размеры светодиодов слишком малы и не достаточны для самостоятельного отвода тепла, выделяемого им при работе — чем мощнее светодиодная лампа, тем большего размера и площади радиатор ей необходим. Соответственно, внушительный размер алюминиевого радиатора влияет на себестоимость лампы, к тому же мощную светодиодную лампу будет трудно или невозможно установить в обычные светильники — она в них не поместится;
в отсутствии конденсатора, выравнивающего световой поток светодиодов, наблюдается заметная пульсация света;
при построении лампы на дешевых светодиодах ее светоотдача понижается до максимальных 100 лм/Вт и становится равной люминесцентным лампам, т.е. утрачивается важное преимущество светодиодной лампы;
световой спектр, генерируемый светодиодами, монохромен и существенно отличается от естественного солнечного освещения. Для смягчения монохромного светового излучения требуется люминофоры специального состава;
генерируемый световой поток узко направлен и требует установки нескольких разнонаправленных ламп или рассеивателя света, однако применение последнего существенно снижает интенсивность освещения.
4. Определение светоотдачи ламп и экономический расчет электроэнергии
Любые лампы характеризуются светоотдачей, то есть количеством света, излучённого в результате потребления определённого количества электроэнергии. Чем больше лампа создаёт световой поток, затрачивая 1 Вт энергии, тем лучше – она быстрее окупится и больше сэкономит денег за время своей службы. Светоотдача измеряется в люменах/ватт.
В ходе выполнения экспериментальной части исследовательской работы были определены:
1. Световая отдача энергосберегающей компактной люминесцентной лампы (КЛЛ) и лампы накаливания одинаковой мощности.
2. Потребляемые мощности КЛЛ и лампы накаливания при одинаковой светоотдаче.
Э кспериментальная установка состояла из фотоэлемента, соединенного с миллиамперметром, вольтметра и амперметра (рис. 4 и 5).
Рисунок 4. Схема для определения светоотдачи ламп
Рисунок 5. Схема для определения мощности ламп
Результаты определения световой отдачи энергосберегающих ламп и ламп накаливания представлены в таблице 1.
Таблица 1.
|
Названия лампы |
Расстояние от лампы до фотоэлемента(L) |
Сила тока(I) |
|
Лампа накаливания |
1м 0,5м |
20 мА 26 мА |
|
Компактная люминесцентная лампа (энергосберегающая) |
1м 0,5м |
24 мА 32 мА |
Как видно из таблицы, при одинаковых условиях проведения опыта сила тока фотоэлемента значительно больше при освещении его КЛЛ.
При одинаковой светоотдаче ламп расчетные мощности получились в соответствии с таблицей 2.
Таблица 2.
|
Названия лампы |
Сила тока, А |
Напряжение, В |
Мощность, Вт |
|
Лампа накаливания |
0,45 |
225 |
101,25 |
|
Компактная люминесцентная лампа (энергосберегающая) |
0,1 |
225 |
22,5 |
Мощность лампы накаливания почти в пять раз больше мощности КЛЛ.
Исходя их результатов эксперимента, производился экономический расчет электроэнергии. Результаты расчета представлены в таблице 3.
Таблица 3.
|
Наименование |
Лампа накаливания |
Энергосберегающая лампа |
|
Мощность |
100 Вт |
20 Вт |
|
Стоимость |
10 рублей |
200 рублей |
|
Срок службы |
1000 ч/5 ч в день = 200 дней 200 дней/30 дней = 6,5 мес. |
12000 ч/5 ч в день =2400 дней 2400 дней/30 дней = 80 мес. 80 мес./12мес. = 6,5 лет |
|
Затраты на лампы за 6,5 лет |
12 ламп x 10 руб. = 120 руб. |
1 лампа х 200 руб. = 200 руб. |
|
Затраты на |
100 Вт = 0,1кВт 3228 руб. + 120 руб. за лампы = 3348 руб. |
20 Вт = 0,02 кВт 645,6 руб. + 200 руб. за лампу = 845,6 руб. |
|
Вывод: |
В школе используется 382 лампы накаливания. При замене их на энергосберегающие за год получается экономия: 3348 руб. х 382 лампы/6,5 лет = 196759,38 руб. 845,6 руб. х 382 лампы/6,5 лет = 49695,26 руб. 196759,38 руб. – 49695,26 руб. = 147 064,12 руб. |
|
Заключение
Энергосберегающие лампы приносят большую выгоду, экономя электроэнергию и денежные ресурсы. При росте цен на электроэнергию, как сказано выше, не составит труда подсчитать ближайшую перспективу. Тема экономии становится все более актуальной. При стоимости электроэнергии 2,69 руб. за кВт ч экономия по школе за год составит почти 150 тыс. рублей.
При этом еще не забываем, что для производства электроэнергии сжигаются уголь, нефть, газ и экономное использование электроэнергии позволит сократить объемы этих энергетических ресурсов, а значит снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. Тем самым каждый из нас может внести свой посильный вклад в общее дело сохранения природы.
Но у компактных люминесцентных ламп есть свои недостатки, которые можно устранить, соблюдая определённые правила:
следить за целостностью использованной лампы;
подвергать лампу правильной эксплуатации;
организовать строительство предприятий по сборке и утилизации КЛЛ.
Литература и интернет ресурсы.
Пёрышкин А.В. Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений. - М: Дрофа, 2010.
Блог об экономии.
http://s-economit.ru/sekonomit-elektroenergiyu/energosberegayushhie-lampy-sovety-po-ekspluatacii
Домашний советник. Преимущества и недостатки энергосберегающих ламп.
http://www.advicehome.ru/page9.php
Википедия. Свободная энциклопедия.Компактная люминесцентная лампа.
http://ru.wikipedia.org/wiki
Вопросы и ответы об энергосберегающих лампах.
http://www.sunergy-esl.ru/faq.html
Информационно-строительный портал: энергосберегающие лампы, в чем их отличия и как их выбрать.
http://library.stroit.ru/articles/sberlamp/index.html
Приложение.
Напряжение на лампе накаливания.
Напряжение на энергосберегающей лампе
Сила тока на лампе накаливания
Сила тока на энергосберегающей лампе