VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнительный анализ ламп накаливания и энергосберегающих ламп

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Цалкович М.А. 1

---

1МБОУ Гимназия "Пущино"

Кашо Е.А. 1

---

1МБОУ Гимназия "Пущино"

Работа в формате PDF

83.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

I. Введение

В 21 веке нашу жизнь невозможно представить без искусственного освещения. Почти у каждой семьи есть холодильник, телевизор, стиральная машина. Мы ежедневно пользуемся компьютером, микроволновой печью. Люди используют электроэнергию, даже не задумываясь, как она попадает к нам в дом. Чтобы произвести электроэнергию, надо сжечь уголь, нефть, газ, а ведь это - исчерпаемые ресурсы. Экономное использование электроэнергии позволит сократить объемы использования этих энергетических ресурсов, а значит снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, сохранить чистоту водоемом. Кроме того, снизится цена за оплату электроэнергии, ведь стоимость электроэнергии напрямую связана со стоимостью ресурсов. Мы не можем полностью отказаться от использования искусственного освещения, но каждый может сократить потребление электроэнергии. Наши ресурсы не бесконечны, и если мы не будем беречь их, то скоро они будут полностью исчерпаны.

Актуальность: использование компактных люминесцентных энергосберегающих ламп (КЛЛ) в быту – это увеличение эффективности освещения в доме, а значит реальный способ помощь природе, сэкономить энергию и собственные деньги.

Цель работы: выяснить, чем отличаются обычные лампы накаливания от энергосберегающих и выяснить, какие из них более эффективны и экономичны.

Объект исследования: энергопотребление.

Гипотеза исследования: предполагаем, что энергосберегающие лампы более эффективны и экономичны.

Задачи работы:

Выяснить основные преимущества и недостатки ламп накаливания и энергосберегающих ламп и дать их сравнительную характеристику;

Рассчитать, выгодно ли использовать данные лампы при сегодняшних тарифах на электроэнергию.

3

II. Основная часть

Глава 1. Лампа накаливания

История изобретения лампы накаливания

«В 70-х года позапрошлого столетия в изобретательскую гонку по созданию работающей модели лампы накаливания включился изобретатель из Америки — Томас Эдисон.

Он проводил исследования в вопросе применения в виде элемента накаливания нитей, произведенных из разнообразных материалов. Эдисон в 1879 году получает патент на лампочку, оснащенной платиновой нитью. Но через год он возвращается к уже проверенному угольному волокну и создает источник света со сроком эксплуатации в 40 часов.

При том, что лампочки Эдисона работают всего лишь 40 часов, они начали активно вытеснять с рынка старый вариант газового освещения.

В то время, как на другом конце мира Томас Эдисон проводил свои эксперименты, в России аналогичными изысканиями продолжал заниматься Александр Лодыгин. Он в 90-х годах 19 века изобрел сразу несколько видов лампочек, нити которых были изготовлены из тугоплавких металлов. Именно Лодыгин первым решился использовать вольфрамовую нить в качестве тела накаливания.

Кроме вольфрама он также предлагал использовать нити накаливания, изготовленные из молибдена, а также скручивать их в форме спирали. Такие свои нити Лодыгин размещал в колбах, из которых откачивался весь воздух. Вследствие таких действий нити предохранялись от кислородного окисления, что делало срок службы изделий значительно продолжительным.

Первый тип коммерческой лампочки, произведенный в Америке, содержала вольфрамовую нить и изготавливалась по патенту Лодыгина.

Также стоит отметить, что Лодыгиным были разработаны газонаполненные лампы, содержащие угольные нити и заполненные азотом.

Таким образом, авторство первой лампочки накаливания, отправленной в серийное производство, принадлежит именно российскому исследователю Александру Лодыгину» .[1,с.12]

4

1.2. Устройство. Принцип действия

«Конструкция лампы накаливания принципиально не изменяется уже более сотни лет. Она включает в себя:

Герметичную колбу, ограничивающую рабочее пространство и наполненную инертным газом.

Цоколь, который имеет спиральную форму. Он служит для удержания лампы в патроне и электрического соединения ее с токоведущими частями.

Проводники, ведущие ток от цоколя к спирали и удерживающие ее.

Спираль накаливания, нагревание которой и создает излучение световой энергии.

Когда электрический ток проходит через спираль, она мгновенно нагревается до высочайших температур вплоть до 2700 градусов. Это обусловлено тем, что спираль имеет большое сопротивление току и на преодоление этого сопротивления расходуется много энергии, которая выделяется как тепло. Тепло раскаляет металл (вольфрам), и он начинает излучать фотоны света. Благодаря тому, что колба не содержит кислород, в процессе нагрева не происходит окисление вольфрама, и он не перегорает. Инертный газ удерживает частички раскаленного металла от испарения». [2,c.12]

5

1.3. Преимущества и недостатки ламп накаливания

Преимущества:

низкая цена

небольшие размеры

мгновенное зажигание и перезажигание

незаметность мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях)

непрерывный спектр излучения

надёжность в условиях низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату

возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)

отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации

отсутствие пускорегулирующей аппаратуры

возможность работы на любом роде тока

нечувствительность к полярности напряжения

Недостатки:

относительно малый срок службы

низкая световая отдача

резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения

световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности, потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %. Включение электролампы через диод, что часто применяется с целью продления ресурса на лестничных площадках, в тамбурах и прочих затрудняющих замену местах, ещё больше усугубляет её недостаток: значительно уменьшается КПД, а также появляется значительное мерцание света

лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает, в зависимости от мощности, следующих величин: 25 Вт — 100 °C, 40 Вт — 145 °C, 75 Вт — 250 °C, 100 Вт — 290 °C, 200 Вт — 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается ещё сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут[30]

при термоударе или разрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона

нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников

6

Глава 2. Компактная люминесцентная лампа

2.1. История

«История люминесцентной лампы достаточно объемна как по времени, так и по количеству сопутствующих изобретений. До того момента, как в частных домах и офисах появились первые лампы дневного света в том виде, который мы наблюдаем и по сей день, ученым и инженерам пришлось изобрести вакуумную трубку, поэкспериментировать с различными инертными газами, создать долговечные электроды и разработать состав флуоресцентного покрытия.

Первой в 1856 году на свет появилась вакуумная стеклянная трубка. Этому изобретению мы обязаны немецкому стеклодуву и изобретателю Генриху Гейслеру. Именно он создал вакуумный насос, позволявший откачивать из закрытой колбы воздух. Стеклянная вакуумная колба в последствие получила имя изобретателя – трубка Гейслера. Когда ученый, а затем и его последователи пропускали через трубку электрический ток достаточно интересный эффект – яркое свечение зеленоватого оттенка.

Основательные эксперименты с явлением электролюминесценции различных веществ проводил Александр Эдмон Беккерель. Именно он в 1859 году предложил покрыть трубку Гейслера тонким слоем люминесцирующих веществ. И хотя трубки ученого излучали недостаточно сильный свет и были недолговечны, именно он впервые заставил люминофор светиться под воздействием электрического тока. Хотя по большому счету Беккерель и не собирался практически использовать свои достижения – у него был чисто научный интерес в этой и других областях науки.

Первое практическое применение трубки Гейслера попытался осуществить Томас Эдисон. Именно он в 1896 году изобрел, а 1907 году запатентовал колбу с покрытием из вольфрамата кальция и рентгеновским излучением как люминесцентную лампу. Но и этому изобретению не удалось стать искусственным источником света в наших домах. Лампа имела малый срок службы, а Эдисон, добившись успеха с лампой накаливания, отказался от дальнейших изысканий по совершенствованию люминесцентной лампы.

Впервые практически использовать аналог сегодняшней лампы дневного света и изыскать из этого коммерческий интерес удалось Даниэлю Фарлану Муру. Первую модель своей лампы оно показал общественности в 1895 году. В качестве инертного газа в колбе он использовал двуокись углерода (для белого свечения) или азот (для розового). Его лампа была невероятно сложна в конструкции, но уже тогда инженеры заметили ее большую эффективность по сравнению с разрабатываемой лампой накаливания. Почти 9 лет усовершенствований и испытаний привели к тому, что начиная с 1904 года, система освещения Мура стала устанавливаться в магазинах и офисных помещениях.

Использовать в люминесцентной лампе пары ртути впервые предложил Питер Купер Хьюитт в 1901 году. Его лампы были намного эффективнее, как ламп Мура, так и ламп накаливания. Однако сине-зеленый свет свечения ограничил их применение в то время. Хотя в последствие, много лет спустя, именно ртутные лампы стали основой уличного освещения, именно ими оснащались фонарные столбы.

7

Лишь в 1927 году свет увидела люминесцентная лампа – аналог той, что мы используем сейчас. И хотя ее изобретатель Эдмунд Джермер изначально ставил перед собой цель создать управляемый источник ультрафиолетового света – получилось так, что вместе с коллегами Фридрихом Мейером и Гансом Шпаннером он создал второй по популярности источник искусственного света, причем более близкий к естественному, чем популярная в то время лампа накаливания. Исследователи просто покрыли ультрафиолетовую лампу слоем люминофора, и оказалось, что она способна излучать естественный белый и достаточно яркий свет.

В 1934 году патент на изобретения выкупила компания General Electric. Первые продажи люминесцентных ламп начались лишь в 1938 году, так как на протяжении 4 лет до этого исследовательские бюро компании усиленно изобретали неразрушающийся под действием электрического тока электрод, а сама фирма выкупала патенты, на изобретения, хоть как-то относящиеся к этому виду лампы». [3,c.12]

2.2. Устройство и принцип действия

«Компактная люминесцентная лампа включает два основных элемента: колбу и цоколь. В колбе размещены вольфрамовые электроды, покрытые специальным активирующим соединением – смесью окислов стронция, кальция и бария. Внутри изогнутой несколько раз колбы — инертный газ с парами ртути, который обеспечивает ионизацию и свечение после включения лампы.

Поскольку компактные люминесцентные лампы не работают напрямую от электросети, в конструкции предусмотрено специальное вспомогательное приспособление — электронная пускорегулирующая аппаратура (ЭПРА) или “электронный балласт”. Она питается высокочастотным напряжением до 50 кГц, что позволяет устранить неприятное мерцание, усилить световой поток и световую отдачу лампы. Специальный инвертор преобразует ток высокой частоты в высокочастотные импульсы.

Электронный балласт также увеличивает коэффициент мощности (практически до 1), благодаря чему лампа фактически превращается в активную нагрузку. При запуске он подогревает электроды и поддерживает номинальную мощность в случае колебания питающего напряжения. От надежности работы ЭПРА во многом зависит срок эксплуатации всей компактной люминесцентной лампы.

После подачи напряжения между электродами возникает электрический заряд и лампа зажигается. Поскольку основная часть света после генерации находится в ультрафиолетовом диапазоне (порядка 98%), внутренние стенки колбы покрывают люминофором. При облучении ультрафиолетовым излучением он начинает светиться. Поэтому эффективность, цветность и другие светотехнические параметры освещения зависят от качества и состава люминофора.

В настоящее время производители используют 3-х и 5-слойные люминофоры на основе редкоземельных элементов. Такой состав в несколько десятков раз дороже аналога, который используется при изготовлении обычных люминесцентных ламп. Использование редкоземельных элементов позволяет люминофору светиться при более высокой поверхностной плотности облучения в разрядной трубке существенно меньшего диаметра». [4,c.12]

8

2.3. Преимущества и недостатки люминесцентных ламп

Преимущества:

Потребление электроэнергии меньше — света больше. Лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет светоотдачу 100-150 люмен, а светоотдача энергосберегающей лампы мощностью 20 Вт составляет 1100-2000 люмен — разница очевидна.

Долгий срок использования. Люминесцентная лампочка обычно работает в 8-10 раз дольше лампы накаливания.

Во время работы температура энергосберегающей лампы не превышает 60 ° С, а лампы накаливания 95 ° С

Освещение от энергосберегающей лампы бывает нескольких оттенков: теплый дневной свет (аналогичное по цвету освещение лампам накаливания), дневной свет и холодный дневной свет.

Отсутствует мерцание (стробоскопический эффект), стабильность освещения обеспечивается электронным балластом лампы.

А теперь о недостатках энергосберегающих ламп:

Высокая цена. Одна люминесцентная лампочка стоит, в зависимости от мощности, в 5-10 раз дороже лампы накаливания.

Срок исправной работы компактных люминесцентных ламп зависит от частоты включения и выключения питания — чем чаще щелкать выключателем, тем быстрее лампа выйдет из строя.

Такие лампы противопоказаны людям, имеющим болезни кожи и эпилепсией.

Энергосберегающая лампа содержит пары ртути, которые являются ядовитыми для людей. При повреждении лампы необходимо многочасовое проветривание помещения и провести влажную уборку раствором марганца. Если же разбито несколько ламп сразу нужно вызвать специалистов МЧС для проведения демеркуризации помещения.

Использованные лампы нельзя выбрасывать вместе с обычным бытовым мусором.

9

Глава 3. Эффективность использования компактных люминесцетных ламп в домашних условиях (эксперимент).

Проведем эксперимент и сравним потребление энергии лампой накаливая и люминесцентной лампой.

Время работы лампы- 6 часов в день. Также считается, что 1 энергосберегающая лампа в 20 Вт по светоотдаче лампе накаливания в 100 Вт.(Приложение, таблица 1)

Провели эксперимент. Мы заменили в квартире обычные лампы накаливания на энергосберегающие лампы. (Приложение, таблица 2)

Сравнили показания счётчика за три месяца в 2017 года (с лампами накаливания) и за три месяца 2018 года (с энергосберегающими лампами).

Таблица 3.

Следовательно, за тот же период 2018 года, по сравнению с 2017 годом, с энергосберегающими лампами мы сэкономили 670 кВт/ч электроэнергии. При тарифе 4,37 рубля за 1 кВт/ч это составляет 731,98 рубля.

10

III. Заключение

Таким образом, мы провели исследовательскую работу и сравнили лампы накаливания и энергосберегающие лампы. Выявили их основные преимущества и недостатки.

Выгода использования энергосберегающих ламп очевидна, если лампа прослужит заявленный на ней срок. Так же энергосберегающие лампы перегорают гораздо реже ламп накаливания.

При замене ламп накаливания на энергосберегающие в жилом доме экономия электроэнергии составила 46,8%.

Следовательно, мы убедились в выгодности для семейного бюджета использования энергосберегающих или компактных люминесцентных ламп (КЛЛ).

Но надо учитывать процесс утилизации компактных люминесцетных ламп и не выбрасывать их вместе с остальным мусором.

Простота и доступность электроэнергии породили у многих людей представление о неисчерпаемости наших энергетических ресурсов, притупили чувство необходимости её экономии. Между тем, мы стоим на пороге энергетического и экологического кризиса. Поэтому внедрять практические меры энергоэффективности — задача сегодняшнего дня.

11

IV. Список использованных источников литературы.

1. Всё, что вы не знали о первой лампе накаливания [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://1posvetu.ru/istochniki-sveta/lampa-nakalivaniya.html (Дата обращения: 10.02.2019 г.)

2. Принцип действия, устройство, характеристики и КПД лампы накаливания [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fb.ru/article/290708/printsip-deystviya-ustroystvo-harakteristiki-i-kpd-lampyi-nakalivaniya (Дата обращения: 10.02.2019 г.)

3.Становой Сергей/ История создания люминесцентной лампы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://scsiexplorer.com.ua/index.php/istoria-otkritiy/1274-istorija-sozdanija-ljuminestsentnoj-lampy.html (Дата обращения: 10.02.2019 г.)

4. Устройство и принцип работы компактной люминесцентной лампы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://slgaz.com/2016/01/kompaktnye-ljuminescentnye-lampy.html (Дата обращения: 10.02.2019 г.)

12

V. Приложение

Таблица 2. Расчет экономии электроэнергии и денежных затрат при использовании энергосберегающих ламп.