VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнение энергосберегающих ламп и ламп накаливания

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лапшин Д.Е. 1

---

1МОУ "СОШ №14"

Шехметова Лиля Нуруллавна 1

---

1МОУ "СОШ №14"

Работа в формате PDF

48.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Нашу жизнь невозможно представить без искусственного освещения, оно везде в домах, в школах, на заводах, в магазинах, на улицах. Для жизни и работы нам нужно освещение с применением ламп.

Отказаться от использования освещения и бытовых электроприборов в современном мире невозможно. Плата за электроэнергию составляет значительную часть расходов любой семьи на оплату жилищно-коммунальных услуг. С каждым годом цены на электроэнергию растут. Значит надо подумать об экономии электроэнергии.

Основные способы экономии в квартирах это применение энергосберегающей техники, обогревателей с высоким КПД, экономия света, замена ламп на энергосберегающие.

Производители энергосберегающих ламп утверждают, что есть простой способ сэкономить деньги — заменить традиционные лампы на энергосберегающие.Но ведь они очень дорогие! Может все-таки пользоваться традиционными лампами накаливания, а не энергосберегающими лампами?

Так ли это? На этот вопрос я попытался ответить в своей исследовательской работе.

Цель: Выяснить, чем отличаются обычные лампы накаливания от энергосберегающих. Какие более эффективны.

Задачи:

1.Изучить устройство лампы накаливания;

2. Изучить устройство энергосберегающей лампы;

3.Выяснить преимущества и недостатки ламп накаливания и энергосберегающих ламп, сравнить;

4. Рассчитать экономию средств с использованием энергосберегающих ламп и ламп накаливания.

Гипотеза: Использование энергосберегающих ламп помогает экономить бюджет.

Лампа накаливания.

Устройство, виды и принцип работы лампы накаливания

Рассмотрим подробнее историю создания лампы накаливания, её устройство и принцип действия (Приложение1). Лампа накаливания (непламенный источник света) была изобретена в 1872 году русским электротехником А.Н. Лодыгиным. Основным элементом первой лампы был тонкий угольный стерженек, нагреваемый током до температуры, при которой он начинал светиться. Стерженек размещался под стеклянным колпаком. Срок службы первых ламп составлял 30-40 минут. В 1879 году американец Томас Эдисон усовершенствовал лампу, улучшив технику откачки воздуха, и заменил угольный стержень обугленной палочкой из бамбука. В 1890 году Лодыгин изобретает лампу с металлической (вольфрамовой) нитью. Лодыгин потратил 27 лет жизни на поиски лучшего материала для нити лампы накаливания.

Лампа Лодыгина.

Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна.

Современная лампа накаливания

Я решил познакомиться с устройством электрической лампы накаливания. Вывернул лампу из патрона и рассмотрел её. Нашел основные части лампы: нить, держатели нити, цоколь, баллон. Рассмотрел способ соединения концов нити с цоколем лампы, а так же устройство патрона. Далее ввернул лампу в патрон и проследил путь тока в них. В итоге я понял принцип действия лампы (Приложение 2).

В основу работы лампы положено явление нагревания проводника при прохождении электрического тока, то есть тепловое действие тока.

Нить с помощью двух проводников соединяется с винтовой нарезкой и с основанием лампы, изолированной от цоколя. При прохождении тока через нить, температура вольфрама достигает 3000 градусов. При такой температуре вольфрамовая нить накаливается докрасна, а потом добела и светит ярким светом. Из стеклянной колбы выкачан воздух, так как в состав воздуха входит кислород, который способствует горению. Кроме того в вакууме идет быстрое испарение вольфрама, чтобы препятствовать этому лампу наполняют азотом или инертным газом. 

Для включения лампы в сеть её ввинчивают в патрон. Внутренняя часть патрона содержит пружинистый контакт, касающийся основания цоколя лампы, и винтовую нарезку, удерживающую лампу. Пружинистый контакт и винтовая нарезка имеют зажимы, к которым прикрепляют провода сети.

1.2. Преимущества и недостатки лампы накаливания.

Преимущества ламп накаливания:

стоит недорого;

небольшие размеры;

ненужность пускорегулирующей аппаратуры;

при включении они зажигаются практически мгновенно;

отсутствие токсичных компонентов, нет необходимости утилизации;

возможность работы, как на постоянном токе, так и на переменном;

отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе;

непрерывный спектр излучения;

устойчивость к электромагнитному импульсу;

возможность использования регуляторов яркости;

нормальная работа при низкой и повышенной температуре окружающей среды, устойчивы к конденсату.

Недостатки ламп накаливания:

низкая световая отдача;

относительно малый срок службы;

резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения;

лампы накаливания представляют пожарную опасность. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут;

при термоударе или взрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона;

● нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников;

● хрупкость, чувствительность к удару и вибрации.

II. Энергосберегающая лампа.

.Устройство, виды и принцип работы энергосберегающей лампы.

Также, рассмотрим историю создания энергосберегающей лампы, её устройство и принцип действия.

Официально первая люминесцентная или, как ее еще называют, флуоресцентная лампа была создана в начале прошлого века инженером-изобретателем из США Питером Купером Хьюиттом. Патент на нее он получил 17 сентября 1901 года. Хотя некоторые исследователи оспаривают его первенство в изобретении, называя «отцом» люминесцентной лампы малоизвестного немецкого физика Мартина Аронса. Изобретенная и запатентованная Хьюиттом люминесцентная лампа содержала ртуть, пары которой нагревались проведенным через нее электротоком. Лампа Хьюитта была шарообразной формы и слегка изогнута, она давала больше света, чем лампы Лодыгина-Эдисона, но свет этот был голубовато-зеленым, неприятным для глаза. По этой причине первые ртутные лампы использовали только фотографы и они не получили широкого распространения. Усовершенствовал конструкцию лампы и запатентовал ее в 1926 году немецкий инженерЭдмунд Джермер. Он предложил увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет в более яркий однородно-белоцветный свет. Э. Джермер в настоящее время признан как изобретатель лампы дневного света.

В СССР считается изобретателем люминесцентной лампы академик С. И. Вавилов. 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.

Первые компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) появились на мировом рынке в конце 1980-х.

Энергосберегающая лампа состоит из 3 основных компонентов: цоколя, люминесцентной лампы и электронного блока. Цоколь предназначен для подключения лампы к сети. Электронный блок (ЭПРА: электронный пускорегулирующий аппарат) обеспечивает зажигание (пуск) и дальнейшее горение люминесцентной лампы. ЭПРА преобразует сетевое напряжение 220В в напряжение, необходимое для работы люминесцентной лампы. Благодаря ЭПРА энергосберегающая лампа зажигается без мерцания и работает без мигания свойственного обычным люминесцентным лампам.

Люминесцентная лампа наполнена парами ртути и инертным газом (аргоном), а её внутренние стенки покрыты люминофорным покрытием.

Принцип действия компактной люминесцентной лампы (КЛЛ): под действием высокого напряжения в лампе происходит движение электронов. Столкновение электронов с атомами ртути образует невидимое ультрафиолетовое излучение, которое, проходя через люминофор, преобразуется в видимый свет.

Газоразрядные - это лампы, в которых свечение создается вследствие электрического разряда в газе, парах металла или в смеси газа и паров металла. Люминесцентные лампы относятся к типу газоразрядных ламп низкого давления. Для уличного освещения применяются ДНаТ- дуговые натриевые трубчатые лампы. Они же используются в освещении растений в теплицах.

Линейные люминесцентные лампы предназначены для освещения внутренних помещений: офисов, школ, административных зданий. Дизайн светильников разработан для общественных помещений и мало подходит для жилых.

Технологии не стоят на месте и в последние 5 лет на рынке укрепились светодиодные лампы или LED. Ассортимент продукции достаточно широк от световых панелей и лент до прожекторов и ламп под все возможные цоколи. При этом светят в 10 раз ярче, чем лампы накаливания той же мощности. (Приложение 3).

Светодиодная лампа состоит:

цоколь;

пластиковый или металлический корпус;

источник питания;

металлическая плата со светодиодами;

светорассеивающая колба.

2.2. Преимущества и недостатки энергосберегающей лампы

Преимущества энергосберегающих ламп (люминесцентная лампа):

Большой срок службы;

Низкое потребление электроэнергии;

Минимальная нагрузка на электропроводку;

Допускается использование энергосберегающих ламп там, где есть ограничения температуры, так как эти лампы практически не нагреваются.

Пожаробезопасность;

Распределение света. Свет намного мягче, равномернее распределяется в помещении, отсутствуют резкие тени на стенах, как при использовании ламп накаливания;

Возможность создать свет различного спектра;

Недостатки энергосберегающих ламп (люминесцентная лампа) :

Высокая стоимость. Цена одной энергосберегающей лампы колеблется от 50-80 рублей до 150-200 рублей за качественные импортные изделия;

В трубке содержатся пары ртути (люминесцентная лампа);

Большинство энергосберегающих ламп не предназначены для эксплуатации их при температуре ниже -15-20 ̊С.

Необходимость утилизации (в лампе содержится ртуть, их нельзя выбрасывать в мусорный контейнер).

С 01июля 2018 года в России вступило в силу Постановление Правительства от 10 ноября 2017 №1356 об ограничении реализации энергосберегающих ртутных ламп и трубчатых люминесцентных светильников. Это позволило сократить ущерб, который наносится природе и здоровью людей в результате неправильной утилизации.

Я решил выяснить в магазине электротоваров так ли это? А также попытался выяснить куда в нашем городе можно утилизировать перегоревшую люминесцентную лампу?

В магазине мне пояснили, что на сегодняшний день реализация энергосберегающих ламп, содержащие ртуть ограничена. В основном в продаже энергосберегающие светодиодные лампы. Специальные контейнеры для сбора перегоревших люминесцентных ламп у нас в городе отсутствуют (Приложение 4). Из интернета я узнал, что утилизацией ламп занимаются специальные организации. В основном лампы принимают у организаций, с которыми заключены договора, а у населения нет.

Преимущества энергосберегающих ламп (светодиодная лампа):

Долгий срок службы светодиодов (примерно 50000 часов).

Низкое энергопотребление по сравнению с другими источниками света.

Экономическая выгода — результат сочетания долговечности и экономии электроэнергии.

Высокая светоотдача. Практически всю получаемую энергию светодиод преобразует в свет, в отличие, например, от лампы накаливания, которая при равной мощности дает света меньше, а выделяет тепла в разы больше.

Возможность выбора цветовой температуры светодиода в зависимости от цели освещения: от привычного теплого белого света лампы накаливания до холодного белого или дневного света.

Светодиодные светильники можно регулировать яркость света

Компактность, гибкость и разнообразие позволяют реализовывать множество дизайнерских светотехнических решений в самых разных интерьерах.

Светодиод не нагревается, так как работает на низковольтном напряжении, что обеспечивает высокую степень пожарной безопасности.

Устойчивы к механическим повреждениям из-за отсутствия у них хрупких элементов, таких как стеклянная колба или нить накаливания.

Отсутствие фосфора, ртути и других токсичных элементов позволяет говорить об экологичности и безопасности этого источника света.

Безопасны для зрения;

Можно управлять с пульта, смартфона;

Устойчивость к перепадам напряжения;

Многократное включения – без разогрева

Недостатки энергосберегающих ламп (светодиодная лампа) :

Очень большая стоимость;

Преобразование переменного тока в постоянный;

Качество цветопередачи. Потребители жалуются на то, что LED-лампы испускают неприятное для восприятия свечение;

Потускнение и мерцание светодиодов.

Трудность замены. Если один диод в лампе перегорел, заменить его проблематично, а часто и невозможно.

2.3. Сравнительные характеристики ламп накаливания, компактных люминесцентных ламп и светодиодных ламп

Сравнительная характеристика показала, что самая экономичная, безопасная и эффективная - светодиодная лампа.

III. Эффективность использования энергосберегающих ламп

3.1. Сравнение температур окружающей среды и осветительных ламп.

Для проведения эксперимента я приготовил необходимое оборудование: (Приложение 5).

1. Настольный светильник.
2. Лампочки накаливания различной мощности —  40 Вт, 60 Вт.
3. Люминесцентная (энергосберегающая) лампа мощностью — 15 Вт и 20 Вт.

4.Светодиодная лампа мощностью – 8 Вт и 10Вт.
5. Термометр.
6. Линейка для измерения расстояния от термометра до лампочки.
7. Кусок белой материи.

8. Секундомер для замера времени (в сотовом телефоне).

Сначала я расстелил белую ткань на столе, установил светильник. Термометр расположил, так чтобы на него попадал свет, измерил расстояние от лампочки до него. Убедился, что светильник выключен из сети электропитания, ввернул в него лампу накаливания с наименьшей мощностью 40 Вт, затем 60 Вт. Измерил начальную температуру и записал результат в таблицу. Направил лампу на термометр и включил ее. Наблюдал в течение 5 минут как лампа светит на термометр. Записал в таблицу итоговую температуру. Так продолжил эксперимент с люминесцентной лампой мощностью- 15 Вт и 20 Вт и светодиодной лампой мощностью – 8 Вт и 10 Вт. (Приложение 6).

В ходе эксперимента были получены следующие результаты:

Таблица 1

Изменение температуры при использовании ламп накаливания различной мощности

Таблица 2

Изменение температуры при использовании компактных люминесцентных и светодиодных ламп различной мощности.

Вывод: лампочки накаливания помимо света вырабатывают и тепло. Чем больше мощность лампы, тем больше температура нагрева. При работе лапм накаливания бесполезно расходуется энергия на нагревание воздуха.

Компактные люминесцентные и светодиодные лампочки в отличие от своих «родственников», выделяют небольшое количество тепла, а значит, являются более энергосберегающими. Люминесцентные и светодиодные лампы выделяют небольшое количество тепла потому, что не используют спирали, для накаливания которой используется высокое сопротивление.

3.2. Энергосберегающие лампы экономят бюджет. Математический расчет.

Проведя теоретическое и практическое исследование, я узнал, какие лампы более эффективны. Для полного исследования экономии электроэнергии при замене ламп накаливания на энергосберегающие я провел математический расчет.

При расчете эффективности замены ламп накаливания на энергосберегающие или светодиодные нужно учесть стоимость электроэнергии в нашем городе Сатка. Я посмотрел в квитанции на оплату электроэнергии, в графе «Тариф» увидел - 3,14 рублей за 1 кВт∙ч (Приложение 8).

Лампу накаливания мощностью 75 Вт в магазине можно купить за 20 рублей. Энергосберегающая светодиодная лампа, мощностью 10 Вт стоит 100 рублей. Люминесцентная лампа 15 Вт обойдется в 110 рублей (Приложение 9);

В среднем освещение в квартире работает 6 часов в день

Среднее время работы энергосберегающей лампы 6000 часов;

- Среднее время работы обычной лампы 1000 часов;

- Количество ламп в нашей квартире 15 штук;

Я поставил перед собой задачу - сосчитать:

стоимость электроэнергии за год работы энергосберегающей лампы и лампы накаливания;

сравнить получившиеся стоимости с учетом стоимостей ламп;

сделать вывод об экономии электроэнергии при замене ламп.

Решение:

6ч ∙ 365дн = 2190ч – в год работает одна лампа.

2190ч ∙ 15 = 32850ч – в год работают 15 ламп.

15Вт ∙ 32850ч = 492750Вт∙ч = 492,75кВт∙ч – потребляют энергосберегающие лампы (КЛЛ) в год

10Вт ∙ 32850ч = 328500Вт∙ч = 328,50 кВт∙ч – потребляют энергосберегающие лампы (светодиодные лампы) в год.

492,75кВт∙ч ∙ 3,14 рубля/1 кВт∙ч = 1547,235рублей ≈ 1547 рублей - в год плата за энергию при использовании энергосберегающих ламп (КЛЛ).

328,50 кВт∙ч ∙3,14 рубля/ 1 кВт∙ч = 1031,49рублей ≈ 1031рублей - в год за энергию при использовании светодиодных энергосберегающих ламп.

75Вт ∙ 32850ч =2463750Вт∙ч = 2463,75кВт∙ч – потребляют обычные лампы в год

2463,75кВт∙ч ∙ 3,14 рубля/1 кВт∙ч = 7736,175рублей ≈ 7736 рублей - в год придется заплатить при использовании ламп накаливания

Нахожу разность 7736руб. – 1547 руб. = 6189 рублей – экономия.

7736 руб. – 1031 руб. = 6705 рублей – экономия.

Прекрасно видно, экономия денег при использовании энергосберегающих ламп большая, более шести тысяч рублей в год. Это я подсчитал без стоимости ламп (Приложение 9).

Теперь подсчитаю стоимость ламп на год и итоговые затраты.

10∙100руб. = 1000 рублей - стоят 10 энергосберегающих ламп.

3∙100руб. = 300 рублей - стоимость 3-х запасных энергосберегающих ламп.

1000 +300 = 1300 рублей – нужно в год на приобретение энергосберегающих ламп.

1547 + 1000 = 2547 рублей (≈2500руб.) - всего на покупку энергосберегающих ламп (КЛЛ) и за электроэнергию на год.

1031 + 1000 = 2031 рублей (≈2000руб.) – всего на приобретение энергосберегающих светодиодных ламп и плата за электроэнергию в год.

10∙20руб = 200 рублей - стоимость 10 ламп накаливания.

10∙20руб = 200 рублей - стоимость 10-ти запасных ламп накаливания.

200 + 200 = 400 рублей – нужно в год на приобретение обычных ламп.

7736 + 400 = 8136 рублей (≈8000руб.) - всего на обычные лампы.

Получилось, что при покупке 10-ти энергосберегающих ламп и их использовании в течение года потребуется около 2-х тысяч рублей, а на обычные лампы пришлось бы потратить примерно 8 тысяч рублей.

Таким образом, энергосберегающие лампы, несмотря на высокую стоимость, действительно экономичнее в 4 раза.

3.3. Опрос.

Для объективности своего исследования провел среди одноклассников и учащихся школы анкетирование (Приложение 10). Данные занес в таблицу. Вот, что получилось. В анкетировании приняли участие ученики 2В, 4Б, 5А, 7А, 11У классов, всего 123 человека (Приложение 11).

Заключение

В результате исследования я изучил устройство лампы накаливания и энергосберегающих ламп. Выяснил преимущества и недостатки ламп. Сравнил свойства и характеристики ламп разного типа, а также узнал их стоимость и рассчитал экономическую эффективность.

В ходе эксперимента я выяснил, что лампы накаливания, хотя и стоят недорого, но потребляют очень много электроэнергии, производят много тепла, пожароопасны и быстро выходят из строя. Экономия на их покупке обойдется очень дорого. При покупке 10-ти энергосберегающих ламп и их использовании в течение года потребуется около 2-х тысяч рублей, а на обычные лампы пришлось бы потратить примерно 8 тысяч рублей.

Люминесцентные лампы значительно экономичнее, но их главный недостаток – содержание ртути. Разбитая лампа может нанести вред здоровью человека и окружающей среде. Такие лампы нельзя выбрасывать, как обычный мусор, а необходимо сдавать в специальные организации для безопасной переработки.

Самыми экономически эффективными и безопасными оказались светодиодные лампы. Эти лампы стоят дороже, потому что позволяют сохранять окружающую среду, не требуя специальных условий по утилизации: они не содержат ртути и других ядовитых, вредных или опасных составляющих материалов и веществ.

Какими лампочками пользоваться, каждый человек решает для себя сам. Лично мне нравятся энергосберегающие лампы. Я считаю, что начать экономить семейный бюджет и электроэнергию можно, если заменить в квартире лампы накаливания энергосберегающими. Моя семья давно заменила все лампы в квартире на светодиодные (Приложение 12).

Математические расчеты затрат на замену ламп в нашей квартире показали, что энергосберегающие лампы, действительно экономичнее и эффективнее. Со своими расчетами я поделился с одноклассниками (Приложение 13).

Многие люди считают, что энергетических ресурсов в нашей стране много, и не думают об экономии. А ведь на самом деле это не так. Поэтому призыв «Экономьте электроэнергию!» сегодня важен.

Список литературы:

1. Кораблев, В.П Экономия электроэнергии в быту / В.П. Кораблев. – М.: Энергоиздат, 1987. – 121 с.

2. Петров, В.И. Азбука освещения / В.И.Петров. – М.: Вигма, 1999. – 98 с.

3. Справочник школьника 5-11 классы / под ред. Д.В.Брилева. – М.: АСТ-пресс, 1999. – 532 с.

4. Федеральный закон №261-ФЗ от 23.11.2009 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

5. Постановление Правительства РФ от 10 ноября 2017 № 1356 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения».

6. Перышкин А.В. Физика. 8кл.: учебник для общеобразовательных учреждений- М.: Дрофа,2010.

7. Википедия Лампа накаливания, энергосберегающие лампы http://ru.wikipedia.org.

Приложения

Приложение 1.

Изучаю литературу.

Приложение 2.

Рассматриваю лампу накаливания.

Приложение 3.

А это - энергосберегающие лампы.

Приложение 4.

В магазине «Электротоваров».

Приложение 5.

Оборудование для проведения эксперимента.

Приложение 6.

Провожу эксперимент.

Приложение 7.

Определяю стоимость ламп в магазине «Электротовары».

Приложение 8.

Изучаю квитанцию об оплате за электроэнергию.

Приложение 9.

Делаю расчеты.

Приложение 10.

Опрос одноклассников.

Приложение 11.

Результаты анкетирования.

Приложение 12.

Светодиодные лампы в моей комнате.

Приложение 13.

Рассказываю в классе.