II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

НОВЫЙ СВЕТ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Долгополова П.А. 1

---

1МБОУ СОШ №1

Юдина Е.П. 1

---

1МБОУ СОШ №1

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Исследовательская работа «Новый свет» основана на изучении и сравнении технико-экономических характеристик источников освещения, а именно: лампы накаливания, энергосберегающей лампы и светодиодной лампы.

Цель исследования: Обосновать, какой из трех источников света наиболее экономичный, экологичный и безопасный источник освещения.

Гипотеза: Светодиодное освещение экономичнее, экологичнее и не влияет на зрение человека.

Задачи:

• изучить историю создания ламп и их строение;

• исследовать световые характеристики источников света;

• определить объёмы потребляемой ими энергии;

• провести социологический опрос;

• сравнить экономическую составляющую исследования;

• подвести итог.

Актуальность: Каждому человеку нужен свет в доме. В последнее время светодиодное освещение становиться все более и более популярным для использования на предприятиях и в домах.

Объект исследования: Лампа накаливания, энергосберегающая (люминесцентная) лапа, светодиодная лампа.

Методы исследования:

• Практико-теоритический;

• Теоритический;

• Социологический.

Введение

Физиологически человеку достаточно 8 часов сна, а продолжительность светлого и темного времени суток примерно одинаковое. Это ближе к экватору, а для высоких широт с сезонными колебаниями продолжительности дня и ночи, зимой протяженность ночи может достигать 15-18 часов. Ну и все конечно же слышали о полярной ночи, которая в самых верхних широтах длятся по несколько месяцев.

Для продолжения своей деятельности человеку необходимо освещение. С древних времён применялись различные методы освещения. Сначала, возможно, это был костёр, затем это была лучина, позже свеча, ну и масляная или керосиновая лампа.

В 1874 году инженер Александр Лодыгин запатентовал «нитевую лампу». В качестве нити накала использовался угольный стержень, помещенный опять-таки в сосуд с вакуумом. В 1890 году Лодыгин придумал заменить угольную нить проволокой из тугоплавкого вольфрама, имевшей температуру накала 3385 градусов. Практически в то же время, в мастерской с отключенным за неуплату газовой компанией светом, Томас Эдисон впервые задумался о применении электричества в освещении.

Настоящий переворот в создании лампочки совершили опыты американского изобретателя Эдисона. Прежде чем приступить к опытам он изучил весь опыт газгольдерных компаний в освещении городов и помещений. Он разработал на бумаге подробные схемы электростанции и коммуникационных линий к домам и фабрикам. Подсчитал себестоимость всех материалов и вычислил, что цена лампочки для потребителя не должна превышать 40 центов.

С 1878 года Эдисон проводит более 12 тыс. опытов в своей лаборатории. Подсчитано, что его помощники опробовали не менее 6000 различных веществ и соединений, при этом на опыты было израсходовано свыше 100 тысяч долларов.

Сначала Эдисон заменил ломкий бумажный уголек более прочным, приготовленным из угля, потом стал делать опыты с различными металлами и, наконец, остановился на нити из обугленных бамбуковых волокон. В 1879 году в присутствии трех тысяч человек Эдисон публично демонстрировал свои электрические лампочки, осветив ими свой дом, лабораторию и несколько прилегающих улиц.

Это была первая лампочка с продолжительным сроком службы, пригодная для массового производства.

В 1901 году Питер Купер Хьюитт создал сине-зеленую лампу, пропуская электрический ток через пары ртути. Лампа не нашла применения в освещении из-за цвета, но стала одной из предшественниц люминесцентных ламп.

1904 – замена углеродной нити на вольфрамовую.

В 1904 году лампы накаливания с вольфрамовой нитью появляются на европейском рынке. Эти лампочки работали дольше, были ярче и эффективнее, чем лампы с углеродной нитью.

1913 – эффективность ламп накаливания удваивается

Ирвинг Ленгмюр обнаруживает, что заполнение лампочки инертным газом, таким как азот, вместо использования вакуума, повышает эффективность лампочки в два раза.

К концу 1920-х и в начале 1930-х европейские исследователи проводили эксперименты с неоновыми трубками, покрытыми фосфором. Результаты этих экспериментов помогли «зажечь» разработку флуоресцентных ламп в США.

1939 – представлены флуоресцентные лампы

1963 – изобретены первые светодиоды

Во время работы в General Electric Ник Холоньяк-младший изобрел первый красный светодиод в видимом спектре. Бледно-желтые и зеленые диоды были изобретены в последующем.

1976 – люминесцентная лампа в форме спирали

В 1976 году Эдвард Хаммер в General Electric придумал как скрутить люминесцентную лампу в форме спирали, создав первый компактную люминесцентную лампу.

1978 – светодиоды появляются в товарах народного потребления

Как только исследователи улучшили красные диоды и процесс их изготовления, компании начали использовать их в товарах народного потребления (дисплеи калькуляторов, различные индикаторы).

1994 – первые голубые и белые диоды

За изобретением синего светодиода в 1990-х последовало изобретение белых светодиодов. Вскоре после этого, исследователи продемонстрировали, белый свет с помощью красного, зеленого и синего светодиодов.

2002 - 2008 - первые светодиодные лампочки появляются на потребительском рынке

К 2008 году на рынке было всего несколько производителей светодиодных лампочек, большинство из этих лампочек потребляли 25-40 ватт. [1]

I.Устройство источников освещения

1. Лампа накаливания.

1.1. Устройство лампы накаливания

1.2. Достоинства и недостатки.

Достоинства лампы накаливания таковы: низкая начальная стоимость лампы и необходимого для нее оборудования, компактность, благодаря которой она хорошо подходит для регулирования светового потока, надежная работа при низких температурах и довольно высокий при ее размерах световой выход. К недостаткам же, способным при некоторых обстоятельствах перевесить достоинства, относятся низкий световой КПД, высокая рабочая температура и заметные колебания светового выхода при изменениях напряжения питания.

2. Энергосберегающая (люминесцентная) лампа.

2.1. Устройство энергосберегающей лампы.

Люминесцентные лампы состоят из следующих основных деталей (рис. 2): стеклянного баллона, двух цоколей (с выводными контактами) на обоих концах баллона и двух подогревных катодов (электронных эмиттеров) из вольфрамовой нити или стальной трубки. Баллон наполнен парами ртути и инертным газом (аргоном); на внутренние стенки баллона нанесено люминофорное покрытие, преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет. Конструкция лампы, представленная на рис. 3, типична для самых распространенных 40-Вт ламп.

Лампа действует следующим образом. Электрод на одном из концов лампы испускает электроны, которые с большой скоростью летят вдоль лампы, пока не произойдет столкновение со встретившимся атомом ртути. При этом они выбивают электроны атома на более высокую орбиту. Когда выбитый электрон возвращается на прежнюю орбиту, атом испускает ультрафиолетовое излучение. Последнее, проходя через люминофор, преобразуется в видимый свет.

2.2.Типы энергосберегающих ламп

2.2.1.1. Ламп с подогретыми катодами.

Эти лампы рассчитываются на большие токи (1–2 А), как правило, используются спиральные активированные вольфрамовые нити накала. Средний срок службы зависит от наработки на один пуск: 7500 ч при 3 ч наработки на один пуск и более 18 000 ч в непрерывном режиме.

Лампы с подогретыми катодами по способу их пуска делятся на лампы с предварительным прогревом, быстрого и моментального пуска. Как и все другие газоразрядные приборы, лампы с подогревными катодами нельзя присоединять к источнику питания без балластного устройства, ограничивающего ток (рис. 3).

Лампы с предварительным прогревом нуждаются также в стартере; при пуске такой лампы замыкается стартер, и катоды, соединенные последовательно, подключаются к сети питания, так что по ним проходит ток. После того как катоды разогреются настолько, что могут эмиттировать электроны, стартер автоматически размыкается, и лампа загорается. В благоприятных условиях весь пуск занимает несколько секунд. В лампах быстрого пуска катоды нагреваются постоянно, а разряд возникает при повышении напряжения. Стартеры не требуются, и время пуска значительно меньше, чем у ламп с предварительным прогревом. В лампах моментального пуска не требуется ни прогрева катодов, ни стартера. Просто на катод подается повышенное напряжение, которое вызывает эмиссию электронов и зажигание разряда в лампе.

2.2.1.2. С холодными катодами

Этим лампам предусматриваются цилиндрические электроды с покрытием из эмиттерных материалов, и они рассчитываются на меньшие токи. Срок службы не зависит от числа пусков и достигает 25 000 ч.

2.3. Достоинства и недостатки.

К достоинствам люминесцентных ламп относятся высокая световая отдача (до 77 лм/Вт) и большая долговечность. Недостатки - высокая начальная стоимость лампы и светильника, шум дросселя стартера и мерцание. Хотя перечень недостатков обширнее, достоинства столь велики, что уже к 1952 лампы накаливания в США были вытеснены люминесцентными лампами в качестве основного электрического источника света.

3. Светодиодная лампа

3.1. Устройство Светодиодной лампы

Рассмотрим назначение элементов светодиодной лампы (Рис.4).

Светодиодные лампы дают достаточно узкий пучок света, примерно, 60 градусов. Поэтому для освещения комнат используются рассеиватели, которые расширяют световой поток. В случаях, когда требуется узконаправленный пучок света, к примеру, в настольных лампах, то приобретают лампы без рассеивателя.

Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, преобразующий, протекающий через него ток, в световое излучение. Выше приведена схема светодиода. К сожалению, мощный светодиод, именно такие используются в светодиодных лампах обладает одним недостатком. Его основа – p-n переход, не совершенна, то есть часть энергии электронов тратится не только на извлечение фотонов из этой спайки (p-n), но и на тепло. Фактически это потери. Тем не менее с этой особенностью надо что-то делать. С целью охлаждения светодиодов, устанавливается радиатор.

Для преобразования входного напряжения к напряжению, пригодному для использования в светодиодной лампе используют драйвер (Рис. 5). Кроме того, драйвер задает определенную частоту для питающего напряжения и тока светодиода. Эта частота питания важна во-первых, для того чтобы задать определенную яркость свечения, т.к. яркость свечения для светодиода задается "правильно" именно не изменением напряжения, а определенной частотой питания. Во-вторых это ограничение частоты через драйвер позволят мощному светодиоду дольше "деградировать" (терять выходной световой поток), то есть светодиод проработает дольше.

Рис. 5 Стандартная схема драйвера светодиодной лампы MR-16 на резисторе

3.2. Преимущества и недостатки

Преимущество светодиодного светильника по сравнению с лампами накаливания - низкое энергопотребление, заявленный долгий срок службы от 30000 до 50000 и более часов, простота установки, более низкая температура корпуса по сравнению с лампой накаливания, имеющей сравнимую яркость, высокая механическая прочность, зачастую - небольшие габариты.

Полная экологическая безопасность позволяет сохранять окружающую среду, не требуя специальных условий по утилизации: не содержит ртути, её производных и других ядовитых, вредных или опасных составляющих материалов и веществ.

Основные недостатки - высокая цена, многие светодиодные лампы светят только в одном направлении (что может быть и достоинством). В дешёвых лампах за счёт экономии на конденсаторах возникает не видимое невооружённому глазу высокочастотное мерцание, а из-за экономии на теплоотводящих элементах перегорание от перегрева, особенно в закрытых плафонах. Кроме того, при выходе из строя любого из элементов светильник чаще всего подлежит замене на аналогичный. Эти недостатки чаще всего компенсируются экономией электроэнергии, экономией на обслуживании, что особенно актуально для уличного освещения.

Некоторые СМИ публикуют спекуляции о вредности LED-освещения, ссылаясь на исследование испанских учёных из Университета Комплутенсе. Это исследование, действительно, говорит о большей вредности холодного излучения светодиодов в сравнении с другими светоизлучающими элементами, но речь идёт о долгом и непосредственном взгляде на источники света - экраны всевозможных устройств, что исключает осветительные приборы.

II. Практическая часть

1. Создание установки и измерение технических характеристик ламп.

Изучив теорию о лампах, создала таблицу с характеристиками всех трёх источников освещения. Для рассмотрения этих данных на практике собрали установку с лампами - светодиодной, люминесцентной (энергосберегающей) и накаливания.

Установка - пространственная конструкция из непрозрачного материала (прямоугольные отрезки ламината) (Приложение 1). Необходимые детали, предварительно разметив линейкой и карандашом, выпилили электолобзиком. Полученные заготовки скрепили шурупами прямо в торец. Для подключения электроламп разъемы и патроны прикрутили маленькими шурупчиками к нижней плоскости верхней горизонтальной полки. На верхнюю поверхность, на двусторонний скотч приклеили три малогабаритных выключателя.

Копии упаковок и заявленные производителем технические характеристики используемых в эксперименте ламп:

- лампа накаливания 40 Вт, 220 В, освещенность 380 лм, срок службы – 1 000 часов (Приложение 2).

- энергосберегающая лампа - 11 Вт, 220 В, освещенность на упаковке не указана, срок службы -12 000 часов (Приложение 3).

- светодиодная лампа - 4 Вт, 220 В, светоотдача 288 лм, срок службы - 50 000 часов (Приложение 4).

Мои измерения:

1. Первые эксперимент был по замеру освещенности (с предустановленной программой для android 5.0 - LuxMeter на основе имеющегося в нем датчика освещенности). При прямом потоке освещения показатель был высоким. Лишь только рассеиватели помогли достичь результатов производителя. Для более точных результатов я применила в качестве рассеивателя листок бумаги. Средняя прозрачная полочка из оргстекла служила опорой для сменных светофильтров и рассеивателей (Приложение. Таблица)

2. Измерение силы тока и напряжения осуществляла при помощи мультиметра, для проверки данных производителя (Приложение. Таблица).

3. Значения потребляемой мощности взяты по данным изготовителя ламп, чтобы рассчитать световую отдачу и среднюю стоимость одного часа освещения за три года (Приложение. Таблица).

4. Световую отдачу я определила по формуле:

(Приложение. Таблица)

1. Коэффициент пульсации освещенности (Кп, %)

- критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током, выражающийся формулой:

где Е_макс и Е_мин - максимальное и минимальное значения освещенности за период ее колебания, лк;

Еср - среднее значение освещенности за этот же период, лк.

Для измерения коэффициента пульсации освещения я воспользовалась способом, описанным на сайте «polno.my1.ru» [3].

Для этого применила фотоэлемент (солнечную батарею) (Приложение 5) и программу виртуального осциллографа «VISUAL ANALYSER 2014». Для калибровки показаний воспользовалась известным коэффициентом пульсации (11%) лампы накаливания 60 Вт включенной в бытовую сеть 220 В (Приложение 6).

В результате коэффициент пульсации лампы накаливания принят за образцовый, получен по результату подбора высоты замера фотоэлемента и составляет 11,54%.

На этой-же высоте произведен замер коэффициента пульсации энергосберегающей лампы, он составляет 6,30%.

Аналогично по светодиодной лампе – 5,74%.

Согласно гигиеническим нормам уровень пульсаций светового потока должен быть:

- в помещениях, оборудованных компьютерами не более 5% (СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03)

- в детских дошкольных учреждениях – 10% (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03);

- в учреждениях общего образования, начального, среднего и высшего специального образования – 10% (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03). [3]

Как уменьшить пульсацию освещения? Есть несколько методов того, как можно уменьшить излишнюю пульсацию освещения:

- применение осветительных приборов, которые работают от переменного тока частотой выше 400 Гц;

- монтаж обычных светильников на различные фазы трехфазной сети;

- установка в светильник компенсирующих ПРА и подключение питания ламп со сдвигом (первая лампа – отстающим током, а вторая – опережающим);

- использование светильников с ЭПРА (Приложение. Таблица). [4]

1. Воздействие на окружающую среду, прочность конструкции определила по фактическим наблюдениям и данным из популярных и научных источников (Приложение. Таблица).

2. Для большей точности результата, расчётное время непрерывного горения принимаю - 3 года, (24 ч. * 365 д. * 3 года = 26 280 часов) (Приложение. Таблица).

3. Соответственно, оплата за электроэнергию составит (принято 92 коп./кВт*ч) 0,92 руб. * Р / 1000 * 26 280 ч. (Приложение. Таблица)

4. Принимаю усреднённую стоимость 1 часа освещения за 3 года = (время / срок службы) * цена лампы + тариф / время (Приложение. Таблица)

5. Социологический опрос

Мною был проведён опрос среди жильцов нашего дома.

В нашем доме 70 квартир. Светодиодное освещение установлено только в 5-ти квартирах, к тому же в 2-х квартирах светодиодное освещение не является основным (установлена декоративная светодиодная подсветка). Это составило всего 7% от общего числа квартир в нашем доме

В 23-х квартирах установлены энергосберегающие (люминесцентные) лампы. Это 33% от общего числа квартир.

В 42-х квартирах установлены лампы накаливания. Что составило 60% от общего числа квартир в нашем доме.

Жильцы квартир, где используется светодиодное освещение, отметили, что при таком освещении более комфортно читать, работать, а также оно экономит бюджет семьи.

Вывод

В ходе работы «Новый свет» я изучила историю, строение и технические характеристики трёх источников света: ламп накаливания, люминесцентной (энергосберегающей), светодиодной. Проанализировала их положительные и отрицательные стороны.

Результаты исследований подтвердили теорию, что именно светодиодные лампы являются наиболее безопасными и не влияют на здоровье человека, экологию.

Выполненный расчет стоимости одного часа освещения наглядно показывает экономичность использования светодиодной лампы. В частности, соотношение стоимости эксплуатации ламп накаливания, энергосберегающей, светодиодной соответствует соотношению 6-2-1 копеек за один час работы и это без учета санитарных и экологических норм.

Технические преимущества также остаются за светодиодной лампой, но пока этот вид осветительных ламп является относительно дорогим, что существенно затрудняет полный переход на светодиодные лампы.

Я думаю, что этот материал будет способствовать повышению познавательной активности молодежи к техническим наукам, а также поможет приобрести опыт в выборе покупки экологичного, безопасного источника света – светодиодной лампы.

Приложение:

(Приложение 1)

(Приложение 2)

(Приложение 3)

(Приложение 4)

(Приложение 5)

(Приложение 6)

Таблица №1. Сравнение разных типов ламп (Приложение 7)

Словарь терминов:

Молибден - Химический элемент (Mo), твёрдый тугоплавкий металл с серебристо-белым блеском (применяется в электротехнической промышленности и в виде сплавов в машиностроении). Проволока из молибдена.

Электрический предохранитель - компонент электрических и радиоэлектронных устройств, предназначенный для защиты оборудования и приборов от повреждений при их неисправностях или для защиты питающей сети от аварийных электрических токов, возникающих при авариях и отказах, неправильного включения, ошибок монтажа.

Световой поток - это физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения.

Световая отдача - это отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности измеряется в люменах на ватт (лм/Вт). Является показателем эффективности и экономичности источников света.

Люмен – это единица измерения светового потока, световая величина.

Коэффициен пульсации освещенности (Кп, %) - критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током, выражающийся формулой.

Осциллограф - прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи; измерения) амплитудных и временных параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте.

Список источников информации:

1. http://istoriz.ru/elektricheskaya-lampochka-istoriya-izobreteniya.html$

2. https://ru.wikipedia.org;

3. http://polno.my1.ru/publ/svoimi_rukami/1/sposoby_izmerenija_koehfficienta_pulsacii_lamp/37-1-0-48;

4. http://electro-site.ru/energy_pulsation.htm;

5. http://postroy-sam.com/svetodiodnye-lampy-osveshheniya.html;

6. http://shop.cable.ru/articles/117/15551.html;

7. http://zametkielectrika.ru/sravnenie-lampy-nakalivaniya-kompaktnoj-lyuminescentnoj-i-svetodiodnoj-lamp-po-temperature-nagreva-i-potreblyaemoj-moshhnosti;

8. http://www.altaitarif22.ru/information_to_consumers/energosberezhenie/;

9. http://www.krugosvet.ru/;

10. https://slovari.yandex.ru;

11. http://indeolight.com/tehnologii-i-normy/raschet-osvesheniya/normy-osveshhennosti-pomeshhenij-i-pulsatsiya-osveshheniy.html

12. Большая советская энциклопедия / гл. редактор А. М. Прохоров - М.: "Советская энциклопедия", 1970.

13. Иванов Б. С. Человек и среда обитания: Учебное пособие, М.: МГИУ, - 1999.

14. Николаев В. И. История светодиодов// «Наука и жизнь», ноябрь 2007

Страница 24 из 24