Наукова робота. Альтернативні види штучних джерел освітлення для житлового приміщення

Роботу виконав:
Акульшин Дмитро,
учень 10 класу
Маріупольського навчально-виховного комплексу
«Колегіум-школа» №1

Науковий керівник:
Нікульникова Олена Іванівна,
учитель фізики
Маріупольського навчально-виховного комплексу
«Колегіум-школа» №1
лауреатка IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „Фізика і астрономія”

Вступ

Енергія з давніх часів залишається однією з головних складових людського життя. Вона дає можливість створювати різні матеріали, є однією з обов’язкових складових при розробці інноваційних технологій. Повноцінне існування людини неможливе без освоєння різних видів енергії.

У XXI столітті енергозбереження стало важливою частиною світових проблем. Енергозбереження – це розробка систем, які ефективніше використовуватимуть енергію, забезпечуватимуть більш високий рівень транспортних послуг, освітлення, опалення, продуктивності праці при менших енерговитратах.

Актуальність теми: проведення досліджень у галузі використання світлодіодних світильників є досить значущими, тому що в результаті підтвердження теоретичних даних, які вказують на той факт, що даний вид освітлення є найбільш раціональним і перспективним, з’явиться необхідність модернізації освітлювальної системи, спрямованої на отримання якісної та нешкідливого для людини та екології освітлення.

Об’єктом дослідження є світлодіодні світильники та освітлювальні прилади на основі інших джерел світла.

Предметом дослідження є технічні показники розглянутих освітлювальних приладів.

Мета роботи – виявлення переваг ефективних джерел освітлення щодо енергозбереження, екологічної безпеки, довго тривалості у використанні.

Під час  роботи були вирішені наступні завдання:

1. Систематизація та аналіз зібраної інформації з досліджуваного питання;
2. Проведення порівняльного аналізу параметрів світлодіодних світильників і освітлювальних приладів з альтернативними джерелами світла;
3. Виклад висновків на основі отриманих результатів дослідження.

Основна частина

2.1 Ефективність освітлювального пристрою та якість світлового середовища

Енергозбереження є одним з найвищих пріоритетів енергетичної політики України, тому що зменшення енергоспоживання за рахунок економії енергії тотожно зниженню імпорту паливних ресурсів і підвищенню конкурентоспроможності української промисловості. З розвитком енергоефективних систем освітлення здійснюватиметься зменшення витрат на електроенергію, як наслідок, зменшуватимуться витрати на імпортоване паливо для її генерації.

В Україні щороку споживається близько 150 млрд. кВт*год. електроенергії. В індустріальних країнах частка електроенергії, що витрачається на освітлення, коливається в діапазоні від 5 до 15%. Для України цей параметр становить 15-20%. Навіть якщо прийняти цю величину за 15%, то річне споживання складатиме 22,5 млрд. кВт*год. Споживання електроенергії освітлювальними пристроями в Україні вкрай неефективне. Ще недостатньо використовуються енергоекономічні джерела світла. Через відсутність державної політики в галузі освітлення відбувається наповнення вітчизняного ринку енерговитратною продукцією.

Основними причинами такого стану є:

• недооцінка ролі енергоефективного освітлення на державному рівні, керівниками підприємств і організацій, а також населенням в цілому;
• відсутність нормативно-правових документів, що стимулюють власне виробництво та впровадження енергоефективних освітлювальних пристроїв;
• гальмування власниками енергогенеруючих компаній заходів і програм з енергозбереження.

Вочевидь, що головним джерелом економії електроенергії в освітленні на найближчий час має стати заміна ламп розжарювання та неефективних систем освітлення на більш енергоекономічні. Враховуючи очікувані проблеми з поставками ядерного палива на АЕС, зростання цін на газ і вугілля, проблема енергоефективності у висвітленні стає ще більш гострою та актуальною.

Сьогодні за енергоефективністю світлодіодним освітлювальним системам немає рівних. Фізична межа світловіддачі ламп розжарювання складає 10-15 лм/Вт, компактних люмінесцентних ламп — 70-80 лм/Вт, безелектродних індукційних ламп — 80-100 лм/Вт. Енергетична ефективність білих світлодіодів із різною колірною температурою, що випускаються промислово, становить 120-150 лм/Вт. При цьому, щорічно цей параметр зростає на 10-15%. Уже сьогодні існують експериментальні зразки білих світлодіодів зі світловіддачею 265 лм/Вт, а за оцінками вчених фізична межа для цього параметра складає 300 лм/Вт.

Вочевидь, ефективність освітлювального пристрою залежить не тільки від енергоефективності, а також від вартості його обслуговування, терміну служби, стійкості до кліматичних впливів, витрат на підведення електроенергії. При цьому не слід недооцінювати поняття якості світлового середовища, яке визначається комфортністю для зору, індексом передачі кольору (визначає можливість розрізнення всіх кольорів у спектрі), безпекою для здоров’я, впливом на зір, ергономічними характеристиками освітлювального пристрою в цілому. Іноді збільшення світловіддачі призводить до погіршення якості світла.

Так, наприклад, найбільша світловіддача досягнута для білих світлодіодів із колірною температурою в діапазоні 5000-6700 К. При цьому для таких світлодіодів зазвичай індекс кольоропередачі нижче, ніж для колірної температури 3000 К. Більш того, як видно з номограми Крюитгофа (мал. 1), для комфортного зору при заміні системи освітлення на основі ламп розжарювання, що забезпечують освітленість 100 лк, на світлодіодне освітлювальне обладнання з колірною температурою 5000 К – освітленість 500 лк . А це означає, що, вигравши в світловіддачі в 10 разів, ми отримуємо виграш в економії електроенергії всього в 2 рази для забезпечення високої якості світлового середовища (комфортного зору).(мал. 1).

Від кількості світла залежить здоров’я, опірність до стресів, утоми, фізичних та розумових навантажень. Стан нашого зору безперечно залежить від освітленості в кімнаті. Через це слід дотримуватися чітких правил користування освітлювальними приладами, бо від норм залежить екологічний стан у будівлях і здоров’я людей.

Впливом випромінювання світлодіодних джерел світла різного спектрального складу на фізіологічні функції основних систем організму: зорових, нервових, серцево-судинних – активно займаються в медичних закладах світу. До теперішнього часу шкоди світлодіодного освітлення не виявлено. Однак необхідно особливо відзначити вплив білого світла різного спектрального складу на зір і циркадні ритми людини.

Відомо, що світловий вплив на людину вночі здатен переривати процес синтезу мелатоніну, який відіграє найважливішу роль у встановленні біологічного ритму життя. Показано, що найбільш відчутний терапевтичний ефект може мати синє світло (довжина хвилі близько 460 нм), і, отже, у регулювання циркадних ритмів слід використовувати штучне освітлення з посиленням інтенсивності в синій частині спектру. Такий спектр мають білі світлодіоди з колірною температурою, більшою 5000 К (мал. 2).

2.2 Порівняльні характеристики різновидів енергозберігаючих ламп і ламп накалювання

2.2.1 Звичайні лампи накалювання (таблиця 1)

Провівши огляд літературних та Інтернет джерел, було встановлено, що загальними для всіх ламп накалювання є наступні елементи: нитка розжарення (вольфрамова нитка), колба, токовводи. Майже вся подана в лампу енергія перетворюється у випромінювання. При перегоранні лампи часто буває, що згорають мідні дроти, що з’єднують контакти цоколя з підтримувачами  спіралі. Так, звичайна лампа на 60 Вт у момент вмикання споживає понад 700 Вт, а 100-ватна – більш кіловата.

Характеристика властивостей за економічними та енергозберігаючими якостями:

Плюси:

• Найдешевші і економічно вигідні;
• Існує величезна кількість різних за призначенням і дизайном світильників, розрахованих під ці лампи;
• Надійно працюють при зниженій напрузі;
• Забезпечують комфортну колірну температуру.

Мінуси:

• Украй неефективні, як світло лампа віддає близько 5% споживаної енергії, решта йде на обігрів приміщення, дуже гріє повітря;
• Невеликий ресурс (усього до 1000 годин);
• Катастрофічно малий ресурс при підвищеній напрузі (відразу ж перегорають при перепаді напруги).

Висновок: Звичайні лампи накалювання неефективні за енергозберігаючими показниками, економія фінансових витрат переважає в порівнянні з енергозберігаючими на короткий термін користування.

2.2.2 Сучасні економні лампи. Галогенні лампи накалювання

Про енергозберігаючі лампи було вивчено безліч аналітичних джерел, існують різні думки як «за», так і «проти». Дуже популярні на сьогодні серед любителів модного освітлення галогенні лампи належать до енергозберігаючих. Наповнювачем у них є газ. Саме газ містить галогенні елементи, здатні багаторазово збільшувати термін придатності ламп.

Галогенні лампи не просто так отримали популярність, у них чимало переваг:

Маленькі габарити, мала витрата електроенергії, велика освітлювальність;

Значний ресурс роботи;

Галогенні лампи випускаються різних форм і розмірів, численних конструкцій, такий асортимент дозволяє створювати різні світлові ілюмінації;

Галогенні лампи характеризуються високою стійкістю до частих перепадів атмосферного тиску та температури, колби цих ламп дуже міцні.

Характеристика властивостей за економічними й енергозберігаючими якостями:

Плюси:

• Світловіддача майже в два рази вище, ніж у ламп розжарювання (горять яскравіше). Горять в 2-4 рази довше звичайних (до 4  тис. годин);
• Помірна ціна в порівнянні з іншими енергозберігаючими лампами;
• Маленький розмір – можна вкручувати в точкові світильники або підвісні стелі;
• Безпечні у вологих приміщеннях (через низьку робочу напругу (12 В))
• Перепади напруги не наносять шкоди. Забезпечують комфортну колірну температуру.

Мінуси:

• Вимагають спеціального світильника;
• Потребують особливого цоколя, тому що всі інші завеликі для них;
• Для живлення лампочок, вбудованих, наприклад, у підвісну стелю, необхідний спеціальний блок. Якщо блок один, то вмикатися лампочки будуть одночасно. Якщо ви купуєте світильник, то блок повинен входити до комплекту;
• Братися за поверхню скла лампи пальцями не можна – вона тут же перегорить (навіть якщо ви торкнули холодну лампочку). Якщо випадково торкнулися робочої частини колби, змийте відбитки пальців до вмикання лампи в мережу.

Висновок. Галогенні лампи ефективніше звичайних ламп розжарювання за економічними й енергозберігаючими якостями при тривалому користуванні, але проблематичні при використанні, тому вимагають спеціальних пристосувань для застосування. Вимагають особливих умов експлуатації.

2.2.3 Люмінесцентна лампа

Перша ртутна лампа була винайдена в 1901 Пітером Купером Хьюіттом, правда вона не мала люмінофора, і в 1926 році вона мала такий же вид, як зараз. Енергозберігаючі лампи від звичних для нас ламп розжарювання відрізняються ще й за будовою: вони складаються з електронного блоку, цоколя та люмінесцентної лампи розжарювання, через яку вони й отримали свою другу, дуже поширену назву: люмінесцентні лампи.

Люмінесцентна лампа – це трубка, наповнена парами ртуті й інертним газом (аргоном). На стінки трубки нанесений люмінофор. Пари ртуті під дією електричного розряду починають випромінювати ультрафіолетові промені, а ті в свою чергу змушують нанесений на стінки трубки люмінофор випромінювати світло. У цоколь лампи поміщається ЕПРА (електронна пускорегулююча апаратура), яка забезпечує старт такої лампи. Складається лампа з 3 основних компонентів: цоколя, люмінесцентної лампи й електронного блоку. Нитки розжарювання в такій лампі немає, що збільшує її термін служби від 6 до 15 разів. Електронний блок (ЕПРА: електронний пускорегулюючий апарат) забезпечує запалювання (пуск) та подальше горіння люмінесцентної лампи. ЕПРА перетворює мережевну напруга 220 в напругу, необхідну для роботи люмінесцентної лампи. Під дією високої напруги в лампі відбувається рух електронів. Зіткнення електронів із атомами ртуті утворює невидиме ультрафіолетове випромінювання, яке, проходячи через люмінофор, перетвориться у видиме світло.

Завдяки механізму дії енергозберігаючих ламп вдається домогтися зниження споживання електроенергії на 80% у порівнянні з лампами розжарювання при аналогічному світловому потоці.

Через свою конструкцію ці лампи мають ще одну перевагу перед лампами накалювання: надання можливості створення комфортної кольорові температури.

Наявність контрольованого ультрафіолету в спеціальних освітлювально-опромінювальних люмінесцентних лампах дозволяє вирішити проблему профілактики «освітлювального голодування» для міських жителів, які проводять до 80% часу в закритих приміщеннях.

Характеристика властивостей за економічними й енергозберігаючими якостями:

Плюси:

• Великий термін служби: декларований час 10-12 тисяч годин. Показники середні – візьмемо, наприклад, 7000 годин. Зауважимо, що у звичайних ламп термін служби складає максимум 1000 годин, а середній показник коливається в районі семи сотень;
• Низьке споживання електроенергії – споживають у 5 разів менше електрики;
• Заводська гарантія на люмінесцентні лампи. Для звичайних ламп розжарювання ніякої гарантії взагалі не існує;
• Розташована в цоколі апаратура усуває стробоскопічний ефект і забезпечує стабільний світловий потік при пульсаціях напруги живлення, усуваючи тим самим ефект втоми очей;
• Дозволяється використання ламп там, де є обмеження температури через те, що  ці лампи практично не нагріваються.

Мінуси:

• Висока вартість: ціна однієї енергозберігаючої лампи коливається від 20- 40 грн.;
• У трубці містяться пари ртуті, тому розбивати таку лампу категорично не рекомендується;
• Цокольна частина люмінесцентної лампи злегка більше, ніж у традиційної, тому вона може не скрізь естетично виглядати;
• Колір світла, що випромінюється лампою, практично білий, не кожному оку він здасться комфортним.[7]

Висновок: Люмінесцентна енергозберігаюча лампа має значні переваги перед звичайною. По-перше, вона економніша приблизно в 5 разів, по-друге, вона довговічніша до 20 разів. Порівняйте: 0,060 Вт = 0,020 Вт. Якщо помножити це на 7000 годин, то отримаємо різницю в 280 кВт / год. При тарифі в 1,29 грн. за кіловат економія 361,2 грн. з однієї лампочки. Ефективність економії очевидна.

2.2.4 Світлодіодні лампи

Світлодіод – це напівпровідниковий прилад, що перетворює електричний струм безпосередньо в світлове випромінювання. З чого складається світлодіод? З напівпровідникового кристала на підкладці, корпусу з контактними висновками й оптичної системи. Сучасні світлодіоди мало схожі на перші корпусні світлодіоди, що застосовувалися для індикації. Світлодіодні лампи денного світла зазвичай застосовують яскраве біле світлодіодне освітлення як джерело світла. Їхнє покриття, як правило, зроблено з акрилового або алюмінієвого матеріалу.

До побутових ламп належать переважно лампи з цоколем E14 і E27, а так само лампи софіти та точкові світильники з цоколем MR16.

Характеристика властивостей за економічними й енергозберігаючими якостями:

Плюси:

• Економніше ламп накалювання в 10 разів, люмінесцентних і газорозрядних ламп в 2-4 рази.
• Відсутні високочастотні пульсації світлового потоку (мерехтіння) й ультрафіолетове випромінювання.
• Екологічна безпека та проста утилізація (відсутня ртуть).
• Ресурс роботи більш 20000 годин (18 років при 3 годинному робочому дні).
• Висока вібростійкість і ударостійкість, тому що  відсутня нитка накалювання.
• Відсутній пусковий струм.
• Гарний спектральний склад світла, близький до сонячного, на відміну від люмінесцентних ламп.
• Високий оптичний ККД (близький до 100%).
• У момент вмикання виключені втрати електроенергії.
• При експлуатації в сприятливих умовах, рекомендованих заводом виробником, термін роботи ламп досягає до 100 000 годин. Це в 100 разів більше терміну служби лампи накалювання.
• Корпус лампи стійкий до зовнішніх механічних пошкоджень, завдяки використанню міцного пластику.
• Лампа не вийде з ладу навіть при випадковому падінні на тверду поверхню.
• Обслуговування в процесі експлуатації має лише тільки видалення пилу з поверхні колби лампи.
• Економія електроенергії до 90%. 1/10 частина споживання електроенергії в порівнянні з лампами накалювання.
• Не забруднюють навколишнє середовище. Конструкція ламп не містить шкідливих речовин.
• При роботі лампи не випромінюють шкідливих випромінювань, таких як: ультрафіолетове, інфрачервоне або теплову радіацію.

Мінуси:

• Висока вартість ламп.

Висновок: Краща з енергозберігаючих ламп за економією електроенергії, а, отже, і за економією природних ресурсів. Має найбільший термін служби (до 45 000 годин). Світлодіодні лампи – зелене джерело світла. Основним недоліком на сьогодні є висока вартість світлодіодним ламп. Але світлодіодні технології мають величезний потенціал для майбутнього індустрії освітлення. За оцінками експертів, в найближчі 5 років світло діоди  дешевшатимуть.

2.3 Електронні системи управління. Ефективність і якість — внесок в енергоефективність

Для успішного вирішення проблем світлотехніки, надійності, енергоефективності, електробезпеки та електромагнітної сумісності необхідно створювати електронні системи керування світлодіодними комплексами, що забезпечують високі ККД (до 95%) і коефіцієнт потужності (більше 0,9), гальванічну розв’язку з мережею, радіоперешкоди, що не перевищують норми, встановленої діючими регламентами. При проектуванні електронних схем керування потужними світлодіодними блоками в габаритних освітлювальних пристроях (прожекторах, вуличних світильниках, стельових освітлювальних системах) можливість розміщення схем управління на досить великих площах дозволяє будувати електронні схеми із вбудованими активними коректорами коефіцієнта потужності, системами багатокаскадного перетворення, додатковими системами стабілізації струму та пригнічення радіоперешкод. Для електронних схем управління, вбудованих, наприклад, у ретрофіти (аналог лампи накалювання), обмеження розмірів електронної плати накладає обмеження на реалізацію додаткових функцій драйверів і, як наслідок, може призвести до погіршення параметрів світлового приладу в цілому. Досвід українських виробників електроніки для світлодіодних ламп з цоколями Е27 та Е14, показує можливість досягнення ККД > 87%, коефіцієнта потужності 0,95 і більше, загального коефіцієнта струмових гармонік не більше 12%. При оптимальній конструкції радіатора лампи такі схеми управління відрізняються високою надійністю та стабільністю світлового потоку протягом тривалого часу експлуатації.

Ряд освітлювальних систем потребує спеціальних схем автоматичного вмикання-вимикання світлового потоку. Такі системи зазвичай забезпечуються світлочутливими елементами (фоторезисторами, фотодіодами, фототранзисторами) для регулювання світла в залежності від рівня освітленості або датчиками руху (звуку) для вмикання освітлювальної системи при появі рухомого об’єкта в зоні освітлення. Такі освітлювальні системи добре зарекомендували себе на об’єктах житлово-комунального господарства (сходових клітках, коридорах, під’їздах, ліфтах).

До перспективних напрямів електроніки світлодіодного освітлення слід віднести системи бездротового керування освітленням (світильник вмикається та вимикається за програмою вбудованого контролера), а також так звані smart-системи, характерні для RGB джерел світла. У таких системах можлива реалізація режимів управління не тільки параметрами світлового потоку, але й колірними параметрами освітлювальної системи, що призводить до максимальної адаптації світлового випромінювання до часу доби і, як наслідок, до поліпшення умов праці, підвищення  продуктивності, зменшення стомлюваності та інших позитивних результатів при такому освітленні.

2.4 Економічний ефект від впровадження світлодіодів

Розрахуємо економію від впровадження одного світлодіодного приладу.

Загальна економія при заміні світильників з лампами накалювання на світлодіодні, складається з суми двох чинників:

• Економія електроенергії;
• Експлуатаційні витрати.

Економія електроенергії дорівнює різниці між споживанням світильника з лампою накалювання та світлодіодного світильника за одну годину за умови, що світлотехнічні параметри однакові або краще:

Eел = Wл-Wс

Wл – потужність лампи розжарювання встановленої в світильник 75Вт;

Wс – потужність світлодіодного світильника 4Вт;

Еел – економія електроенергії.

Вартість заощаджень електроенергії за одну годину:

0,071 кВт * час × 0,741 грн. = 0,052611 грн.

Економія експлуатаційних витрат – це різниця між витратами на експлуатацію світильника з лампою накалювання та світлодіодного світильника при максимальному терміні (100 тис. год.) служби в розрахунку на годину.

Ев = Ел – Ес

Ел – експлуатаційні витрати на лампу накалювання;

Ес – експлуатаційні витрати на світлодіодну лампу;

Ев – економія витрат.

Витрати на експлуатацію світильника з лампою розжарювання становить:

Елр = Зл + Вл

Зл – заміна лампи накалювання (нормо/час електроенергії 3 розряди = 6,1 грн.);

Вл – вартість лампи накалювання = 10 грн;

Елр – витрати на експлуатацію світильника з лампою накалювання.

Елр = (1 год. * 6,1 грн) + 10 грн = 16,1 грн

Тепер розрахуємо експлуатаційні витрати лампи накалювання, переведені до витрат на експлуатацію світлодіодів.

Тл – термін експлуатації лампи накалювання = 1  тис. годин;

Тс – термін експлуатації світлодіодів =100  тис. годин;

Елр – витрати на експлуатацію світильника з лампою накалювання;

Вл – експлуатаційні витрати ламп накалювання.

Вартість експлуатаційних витрат ламп накалювання при 100  тис. годин експлуатації:

А з урахуванням вартості світильника для ламп накалювання складає:

1610 грн + (від 115 грн до 385 грн) = 1860 грн

Витрати на експлуатацію світлодіодного світильника складається з двох чинників: це термін виконання ремонтних робіт і вартість комплектуючих:

Вс = Рс + Вк

Рс – ремонт світлодіодного світильника;

Вк – розрахункова вартість комплектуючих – це 5% від вартості виробу та дорівнює 300 грн. * 5% = 15 грн.

Вс – витрати на ремонт світлодіодного світильника.

Згідно з нормативом коефіцієнт ризику замовника дорівнює 10%. Термін гарантійного напрацювання світлодіодів 100  тис. годин, тоді розрахунковий ремонт треба проводити кожні 100000год. / 100 * 10 = 10000 год., при нормі година радіомеханіка 4 розряду = 11,9 грн. і терміну виконання робіт 2 години дорівнює 11,9 грн. * 2 години = 23,8 грн.

Витрати на один ремонт світлодіодного світильника:

23,8 грн + 15 грн = 38,8 грн

Вартість експлуатаційних витрат світлодіодів при 100 тис. годин експлуатації:

38,8 грн * 10 = 388 грн

А з урахуванням вартості світлодіодного світильника складає:

388 грн + 300 = 688 грн

Тепер можна обчислити економію експлуатаційних витрат при 100тис.год. роботи світильників(Ев = Ел – Ес):

1860 грн = 688 грн = 1172 грн

А економія експлуатаційних витрат за одну годину експлуатації складає:

Загальна економія при заміні світильників з лампами накалювання на світлодіодні на годину, назвемо його коефіцієнтом економії, за допомогою якого можна розрахувати економію для будь-якого періоду часу.

Ке = Вл + Ев

Вл – експлуатаційні витрати ламп накалювання;

Ев – економія витрат;

Ке – коефіцієнт економії.

0,0186 грн + 0,01172 грн = 0,03032 грн

Можемо розрахувати загальну економію при заміні світильників з лампами накалювання на світлодіодні за рік:

Ер = Гд × С × Ке × К

Гд – кількість годин роботи на добу (середній світовий день 12 годин);

С – кількість діб роботи за рік (365 діб);

Ке – коефіцієнт економії;

К – коефіцієнт, який дорівнює 1,25;

Ер – загальна економія за рік.

12 год * 365 діб * 0,03032 грн * 1,25 = 166,002 грн

Економія електроенергії за рік становитиме:

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

3.1 Обґрунтування практичних рекомендацій щодо вибору штучних джерел освітлення для своєї квартири

Мною проведено дослідження, результати якого наведені в наступних таблицях.

Розрахунки споживання електроенергії для 2-х кімнатної квартири (із застосуванням ламп накалювання) (Таблиця 2)

Спочатку були проведені розрахунки (таблиця 2) з оплати за освітлення лампочками накалювання в 2-х кімнатній квартирі. Вийшло, що щодня ми платимо за добу  2,67 грн., в середньому за місяць виходить 80,1 грн. (зрозуміло, це без урахування оплати за електроплиту, холодильник, телевізор, пральну машину та іншу техніку).

Розрахунки споживання електроенергії для 2-х кімнатної квартири (із застосуванням люмінесцентних ламп) (Таблиця 3)

Розрахунки показали, що щодня під час переходу на люмінесцентні лампи ми платили б на добу по 0,64 грн., в середньому за місяць вийшло б 19 гривень 20 копійок. Щомісячна економія в цьому випадку становила б 60 гривень 90 копійок.

Розрахунки споживання електроенергії для 2-х кімнатної квартири (із застосуванням світлодіодних ламп) (Таблиця 4)

Розрахунки показали, що щодня під час переходу на світлодіодні лампи ми платили б по 28 копійок, в середньому за місяць вийшло б 8 гривень 40 копійок, що в 10 разів дешевше, ніж ми платимо зараз і 2 рази менше, ніж ми платили б при переході на люмінесцентні лампи.

У своєму дослідницькому проекті я спробував створити електронну систему управління світлодіодним комплексом. У цю систему входить блок живлення, зарядний пристрій, датчик розряду акумулятора, світлодіоди та невелика сонячна батарея, акумулятор (мал. 3, мал. 4).

Дана система призначена для економії електроенергії за рахунок зарядки акумулятора від мережі та від сонячної батареї. (Схема 1)

Цей пристрій ефективно  застосовувати при недостатньому енергопостачанні або вимкненні електроенергії, і використовувати як джерело безперебійного освітлення. Проста схема забезпечить автоматичне вимкнення світла потужністю 3Вт … 5Вт, при відключенні напруги 220В. В якості резервного джерела живлення можна використовувати li-ion акумулятор 3.7 … 4.8В. Як джерело світла яскраві світлодіоди потужністю 10 Вт. Схема блоку живлення працює наступним образом: перетворення здійснюється за допомогою потужного транзистора, що працює в режимі ключа й імпульсного трансформатора, що разом утворюють схему ВЧ перетворювача. Що стосується схемного рішення, то тут можливі два варіанти перетворювачів: перший – виконуємо за схемою імпульсного автогенератора  та другий – з зовнішнім управлінням. Оскільки частота перетворювача зазвичай вибирається від 18 до 50 кГц, то розміри імпульсного трансформатора, а, отже, і всього блоку живлення, досить компактні, що є важливим параметром для сучасної апаратури.

Перетворювач виконаний на транзисторі VT1 і трансформаторі Т1. Напруга через мережевий фільтр (СФ) подається на мережевий випрямляч (СВ), де воно випрямляється, фільтрується конденсатором фільтра Сф і через обмотку W1 трансформатора Т1 подається на колектор транзистора VT1. При подачі в ланцюг бази транзистора прямокутного імпульсу транзистор відкривається, і через нього протікає наростаючий струм Ік. Цей же струм буде протікати й через обмотку W1 трансформатора Т1, що призведе до того, що в середині трансформатора збільшуватиметься магнітний потік, при цьому у вторинній обмотці W2 трансформатора наводиться ЕРС самоіндукції. У кінцевому підсумку на виході діода VD з’явитися позитивна напруга. При цьому, якщо ми будемо збільшувати тривалість імпульсу прикладеного до бази транзистора VT1, у вторинному ланцюзі буде збільшуватися напруга, тому що енергії буде віддаватися більше, а якщо зменшувати тривалість, відповідно напруга буде зменшуватись. Напруга заряду акумулятора контролюється датчиком його розряду.[12]

Робота даного індикатора організована таким чином, що при потенціалі на керуючому контакті TL431 менше 2,5 В, стабілітрон TL431 замкнений, через нього проходить тільки малий струм, зазвичай, менше 0,4 мА. Оскільки даної сили струму вистачає для того, щоб світлодіод світився, то, що б уникнути цього, потрібно просто паралельно  до  світлодіоду під’єднати опір на 2-3 кОм.

У разі перевищення потенціалу, що надходить на керуючий вихід, більше 2,5 В, мікросхема TL431 відкриється та HL1 почне горіти. Опір R3 створює потрібне обмеження струму, що протікає через HL1 та стабілітрон TL431. Максимальний струм проходить через стабілітрон TL431, знаходиться в районі 100 мА. Але у світлодіода максимально допустимий струм складає всього 20 мА. Тому в ланцюг світлодіода необхідно додати струмообмежуючий резистор R3.

Світлодіодна лампа може працювати безперервно 3 години за умови, що акумулятор заряджається від сонячної батареї протягом світлового дня. Розрахуємо, скільки споживає електроенергії наш пристрій:

Зараз розрахуємо споживання електроенергії в передпокої, де горять чотири світлодіодні лампи потужністю 8 Вт:

 – економія на добу

– за рік

Економія електроенергії практично у 8 разів (0,096/0,011=8,72).

Тепер розрахуємо вартість устаткування для нашого пристрою:

Перетворювач напруги з 3v до 12,9 v – 22 грн.

Датчик заряду – 10 грн.

Блок живлення – 20 грн.

Сонячна батарея – 150 грн.

Світлодіодна стрічка – 11 грн.

Акумулятор – 80 грн.

22 грн + 10 грн + 20 грн + 150 грн +11 грн + 80 грн = 293 грн

Окупність даного проекту відбудеться 293 грн/22,27 грн = 13 грн

Висновок, який ми можемо зробити з нашого дослідження, що в даний час наше обладнання не вигідно використовувати через дороге устаткування, хоч економія електроенергії в 8 разів. Але наше обладнання можна використовувати при відсутності електроенергії або якщо в квартирі встановлено двофазний лічильник, де світлодіодний світильник 3 години працює від свого живлення, а в нічний час заряджається від електромережі, коли нічний тариф дешевше денного.

Висновок

Світло – це невід’ємний елемент життя людини, необхідний для підтримання стану здоров’я. Природні джерела світла є більш комфортними для зору людей. На відміну від природних, штучні є продуктом виробництва людини. У сучасних умовах основною метою їхнього розвитку є максимальне наближення за своїми характеристиками до природного світла при мінімальних витратах.

Під час  проведення досліджень були розглянуті принципи роботи штучних джерел освітлення, які застосовуються в наших квартирах.

У звичній для нас лампочці накалювання світиться розпечена спіраль, спектр її світіння залежить в основному від її температури. Основний  недолік, це занадто низький ККД, який складає всього лише 5%. Для отримання більш високого ККД в галогенних лампах скляну колбу заповнюють газом під високим тиском, що дозволяє збільшити температуру спіралі, а відповідно і світловіддачу. Такі лампи використовуються в різних прожекторах, в автомобільних фарах тощо. ККД галогенної лампи досягає до 15%, це максимально, що вдалося досягти при використанні даного принципу роботи. Для отримання більш високої ефективності потрібні були інші принципи роботи, так з’явилися люмінесцентні, а потім і світлодіодні лампи.

Люмінесцентні лампи світяться, коли в них загоряється електричний розряд: в газі, що заповнює трубку, деяка  кілька електронів відривається від своїх атомів і рухається з прискоренням в електричному полі. Коли такий прискорений електрон стикається з атомом, він віддає енергію у вигляді ультрафіолетового випромінювання. З точки зору ККД це вже набагато краще, ефективність сучасних люмінесцентних ламп досягає 25%.

У світлодіоді електричний струм перетворюється безпосередньо в світлове випромінювання, тому ККД вже в існуючих моделях становить близько 80%, в перспективі він може дійти й до 100%. Зрозуміло, що саме світлодіодні лампи, в даний час, є найбільш ефективними.

При проведенні досліджень були проаналізовані позитивні та негативні сторони штучних джерел освітлення, які застосовуються в наших квартирах. У результаті проведеного аналізу визначено, що саме світлодіодні лампи є найбільш безпечними за впливом на здоров’я людини та екологію навколишнього середовища.

Переваги світлодіодних ламп:

Термін їхньої служби складає до 100 000 годин. Світлодіодне освітлення  можна вважати екологічним, чого не можна сказати про люмінесцентні лампи. Лампи не містять ртуті та інших шкідливих для здоров’я речовин, немає необхідності в їхній утилізації. У їхньому світінні відсутні інфрачервоні й ультрафіолетові випромінювання. Світлодіодні лампи не приносять шкоди рослинам, розташованим поблизу, безпечні для очей. Широкий температурний діапазон експлуатації – від -50 до +60 ° С, і до того ж, світловий потік не зменшується при негативних температурах, як у люмінесцентних лампах. Світлодіоди випромінюють світло без пульсацій, мерехтінь, працюють безшумно, без пускових кидків струму. Вони мало нагріваються, випромінюють чистий колір, у них немає скляної колби, вони механічно міцні. Роботу світлодіодів можна програмувати, максимально наближаючи до природного світла.

Під час досліджень проведені порівняльні розрахунки з оплати за освітлення в 2-х кімнатній квартирі різними джерелами штучного освітлення (без урахування оплати за електроплиту, холодильник, телевізор, пральну машину та іншу техніку). Розрахунки проводилися для звичайних ламп накалювання (75 Вт), люмінесцентних ламп (18 Вт) і світлодіодних ламп (8 Вт). Розрахунки показали, що при переході на світлодіодні лампи ми платили б за освітлення в середньому за місяць8 гривень 40 копійок, що в 10 разів дешевше, ніж оплата при використанні ламп накалювання та 2 рази менше, ніж ми платили б при переході на люмінесцентні лампи.

У даній роботі були проведені розрахунки, що визначають терміни окупності переходу світлодіодних ламп на лампи накалювання. Виходячи з розрахунків, вартість однієї світлодіодним лампи в порівнянні зі звичайною окупається за 1-2 роки (цей параметр залежить від інтенсивності використання).

Отже, з наведених досліджень можна зробити наступний висновок, що на даний момент найефективнішим джерелом освітлення для наших квартир є світлодіоди. У них високий ККД (80%), відповідно низька витрата електроенергії, великий, в порівнянні з іншими лампами, термін експлуатації (як мінімум 20 років), висока яскравість, відсутність інфрачервоного й ультрафіолетового випромінювань, вони є «антивандальними». Але основна перевага світлодіодів в порівнянні з іншими джерелами штучного освітлення полягає в їхній сприятливій дії на здоров’я людини та повній екологічній безпеці.

Список використаної літератури

1. Николаєв В. И. Історія світлодіодів// «Наука и жизнь», листопад, 2007.
2. Розвиток енергетики // «Иллюминатор», випуск №2, 2006.
3. Суханькова Е. П. Лампа розжарювання – винахід А. Н. Лодигіна // Фізика: додаток до газети “Перше вересня”, 1997 г., № 45, с. 4-5.
4. Тихомирова С. А. Загадки с фізичним змістом//Фізика у школі, 1999.
5. «Новини електроніки» ст. «Перспективи використання потужних світлодіодів для освітлення» (№9/2009)
6. http://www.teplydim.com.ua «Ініціативи з приводу економії електроенергії»
7. http://www.budnet.com.ua «Люмінесцентні лампи – шкода чи користь?» [7]
8. http://bloknot-khersona.ks.ua «Нові тарифи на електроенергію в Україні»
9. http://ledel-europe.com «Основні переваги світлодіодних світильників»
10. http://energetik.org.ua «Український енергетичний портал»
11. http://poradumo.pp.ua  «Прилади аварійного, чергового та функціонального освітлення приміщень і ландшафтів»
12. http://statti.in.ua/moda/osnovni-principi-roboti-impulsnogo-bloku.html «Основні принципи роботи імпульсного блоку живлення» [12]
13. http://ua.nauchebe.net «Радіоелектроніка та гуртки юних радіоаматорів»

Додатки

Малюнок 1. Номограма Крюитгофа

Малюнок 2. Спектральні характеристики світлодіодів з різною корелятивною колірною температурою

Таблиця 1

Порівняння характеристик джерел світла

Таблиця 2

Таблиця 3

Таблиця 4

Редакція може не поділяти думку авторів і не несе відповідальність за достовірність інформації. Будь-який передрук матеріалів з сайту може здійснюватись лише при наявності активного гіперпосилання на e-kolosok.org, а також на сам матеріал!