Исследование источников искусственного света

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 62 г. Челябинска»

Исследование источников

искусственного света

Научно-исследовательская работа

Автор:

Файзуллина Алина Рифатовна,

МАОУ «СОШ № 62 г. Челябинска»,

класс 7

Научный руководитель:

Валикаева Эльмира Шамилевна,

учитель физики

МАОУ «СОШ № 62 г. Челябинска»

Челябинск, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение 3

2. Основная часть …………………………… 4

2.1. Виды ламп и принципы их работы 4

2.2. Сравнение характеристик ламп 5

2.3. Экономические расчеты 7

3. Заключение 9

4. Список литературы 10

5. Приложения 11

1. Введение

В наше время невозможно представить жизнь без электроэнергии. С ростом уровня жизни увеличивается количество необходимой человеку энергии, поэтому в наше время существуют проблемы энергообеспечения и энергосбережения.

Большая часть электроэнергии, потребляемая предприятиями и организациями, расходуется на освещение производственных помещений и уличное освещение. Задачу сокращения энергопотребления осветительными приборами возможно решить, используя энергосберегающие источники света, например: люминесцентные или светодиодные лампы.

Для обстоятельного выбора источников искусственного света необходимо рассмотреть все их характеристики. В процессе выполнения данной работы проанализированы преимущества и недостатки разных видов ламп, проведены расчеты показателей энергопотребления.

Актуальность темы заключается в необходимости сбережения электроэнергии дома, в школе, на предприятиях, в стране. Электроэнергия поступает в наши дома с электростанций различного типа, и для ее производства сжигаются разные виды топлива. Экономное использование электроэнергии позволит сократить объемы использования этих энергетических ресурсов, а, значит, и снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду. Тем самым – не ухудшать экологическую обстановку. А также, важна безвредность энергосберегающих источников света для здоровья человека.

Цель работы: выявление наиболее оптимального источника искусственного света.

Для достижения обозначенной цели необходимо было выполнить следующие задачи:

1. Изучить виды ламп и принципы их работы.

2. Сравнить характеристики ламп.

3. Определить объёмы потребляемой ими энергии

4. Проанализировать полученные результаты и подвести итог.

Объект исследования: искусственные источники света.

Предмет исследования: характеристики ламп (энергопотребление, экологичность, характер освещения, срок службы, цена,)

Гипотеза: светодиодные лампы экономичнее, экологичнее и безвредны для человека.

В работе применялись следующие методы исследования: сбор и анализ информации по рассматриваемой теме, сравнительный анализ полученных результатов исследования.

2. Основная часть

2.1. Виды ламп и принципы их работы

С целью выявления оптимального с точки зрения здоровьесбережения и наиболее эффективного с финансовой стороны источника света рассмотрены четыре типа ламп: накаливания, галогенная, люминесцентная и светодиодная. Приложение1

Лампа накаливания – это электрический источник света, состоящий из металлического цоколя с резьбой, прозрачной стеклянной колбы и вольфрамовой нити накаливания, чаще всего в виде спирали (Приложение 2).

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока, она накаливается и излучает свет. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное (тепловое) излучение. Около 80% потребляемой электрической мощности уходит на нагрев - именно поэтому обычные лампочки так сильно нагреваются при включении. 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. Для получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 5497°C недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C). При практически достижимых температурах 2300-2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «жёлто-красным», чем дневной свет.

На сегодняшний день эти лампочки уходят в прошлое, объемы их производства постоянно снижаются, несмотря на то, что их стоимость значительно ниже других типов ламп. 23 ноября 2009 года президент России подписал принятый ранее Госдумой Федеральный закон "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации". Согласно документу, с 1 января 2011 года к обороту на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более. Возможно введение дальнейших ограничений.

Галогенная лампа - по своей конструкции и принципу действия похожа на обычную лампу накаливания, то есть непосредственно источником света является вольфрамовая нить, но в отличие от обычных лампочек эта нить помещена в специальную колбу, заполненную инертным газом: пары галогенов (брома или йода). Спираль галогенной лампы нагревается до более высокой температуры, таким образом, света выделяется больше. Это позволяет ещё существенно увеличить срок жизни лампы до 2000—3000 часов, что как минимум вдвое больше, чем у обычной лампы накаливания. Конструктивная особенность галогенных ламп (маленький размер колбы, где расположена нить) позволяет делать лампы небольших физических размеров, при относительной высокой светоотдаче. Это позволяет использовать лампы такого типа в автомобилях и небольших, в основном встраиваемых, потолочных и настенных светильниках. Люминесцентная лампа представляет собой колбу с рабочим газом. Люминесцентная лампа наполнена парами ртути и инертным газом (аргоном). На внутреннюю поверхность колбы нанесено специальное вещество, называемое люминофор. 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 (Приложение 3). Люминесцентная лампа или как ее еще называют "энергосберегающая", относится к более современному типу ламп с более низким уровнем потребления электроэнергии (отсюда и их название). Энергоэффективность этих ламп примерно в 5 раз выше, чем у ламп накаливания.

Светодиодные лампы. Светодиод - это полупроводниковый прибор, генерирующий при прохождении электрического тока оптическое излучение. Светодиодные лампы излучают свет определенного цвета – от желтого и оранжевого до синего. Есть и светодиодные светильники дневного света, который ближе к холодному спектру.

Конструкция светодиодной лампы несколько сложнее и дороже лампы накаливания, откуда вытекает их большая покупная стоимость (Приложение 4).

Светодиодная лампа является одним из наиболее экологичных источников света, поскольку принцип светодиодного свечения позволяет изготавливать их с использованием безопасных для экологии составляющих.

2.2. Сравнение характеристик ламп Для сравнения наиболее важных эксплуатационных характеристик описанных выше ламп были взяты виды ламп, обеспечивающих одинаковый уровень освещенности помещения.

Параметр сравнения	Лампа накаливания	Галогенная лампа	Люминесцентная лампа	Светодиодная лампа
Потребляемая мощность, Вт	75	45	15	10
Нагрев	сильный	сильный	средний	низкий
Прочность конструкции	очень хрупкая	хрупкая	хрупкая	прочная
Срок службы, часов, усредненно	1000	2-2,5 тысячи	7 – 10 тысяч	30 – 50 тысяч
Простота установки/замены	хорошо	удовлетвори-тельно	отлично	отлично
Экологичность	хорошо	хорошо	удовлетвори-тельно	отлично

Анализ данных таблицы

Потребляемая электрическая мощность разных типов ламп при одинаковом уровне освещенности (светоотдаче) различается в разы. Это означает, что за одинаковый промежуток времени свечения светодиодная лампа израсходует энергии в 7,5 раз меньше лампы накаливания. А энергосберегающая лампа (люминесцентная) в полтора раза менее экономичная.

Нагрев – показатель, отражающий эффективность использования электроэнергии: чем сильнее греется лампа, тем больше средств мы тратим на нагрев помещения где находится лампа (а прямое назначение лампы – это освещение). Лампа накаливания тратит на освещение только 20% потребляемой мощности, а 80% на нагрев! Показатели галогенной лампы лучше, но не кардинально  - примерно 35% – на освещение и 65% – на нагрев. Люминесцентная (энергосберегающая) еще лучше: примерно 75% – на освещение и 25% – на нагрев. Лидером снова является светодиодная лампа: 95-98% мощности тратится на свет и только 2-5% на нагрев и менее значимые дополнительные потери.

Прочность конструкции - первые два типа ламп очень легко разбить, что каждый из нас знает. Ронять их нельзя даже с маленькой высоты. Причина в том, что колба, в которой "горит" нить накаливания сделана из очень тонкого и хрупкого стекла. Люминесцентные лампочки несколько более прочные, но с ними тоже нужно обращаться очень аккуратно, еще и потому, что разбивать их вредно для здоровья. Светодиодные лампы гораздо прочнее и они не боятся падений с небольшой высоты - это обусловлено относительно ударопрочным материалом колбы (пластик, поликарбонат и др.).

Срок службы - здесь сложно что-то добавить, все слишком очевидно. Светодиодная лампа служит в 30-50 раз дольше, чем обычная лампа накаливания, т.е. она практически "вечная". Судя по цифрам, которые заявляют производители светодиодных ламп, эта лампа прослужит не менее 30 лет, когда как средний срок службы лампы накаливания составляет 1 год. Люминесцентные лампы по заявленным характеристикам служат 7-10 лет, что тоже не мало.

Простота установки/замены - насколько просто в бытовом смысле можно поменять лампочку. Не всем известно: обычные лампочки накаливания и тем более галогенные нельзя трогать руками за стеклянную колбу, так как они очень чувствительны к жировым загрязнениям. Ввиду сильнейшего нагрева стеклянной колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) моментально сгорают в процессе работы, оставляя черные следы. Это в итоге приводит к локальным повышениям температуры колбы, что зачастую становится причиной её разрушения (именно по причине высоких температур, колбы в таких лампах делают из кварцевого стекла). Такая особенность галогенных и в меньшей степени обычных ламп накаливания означает значительное усложнение процедуры замены. При этом люминесцентные лампы и особенно светодиодные почти не греются и трогать их руками при установке можно, не опасаясь их дальнейшего выхода из строя.

Экологичность - важная составляющая, приобретающая все большее значение во всем мире. Обычные лампы накаливания и галогенные лампы с точки зрения своих компонентов экологически чисты, их световой спектр - не вреден для человека, но, принимая во внимание объем их энергопотребления, который тратится впустую (на нагрев), им поставлена оценка "хорошо". Люминесцентным лампам поставлена оценка "удовлетворительно" по следующим причинам:

• свет таких ламп "мерцающий", что в свою очередь приводит к усталости глаз;

• содержание паров ртути в конструкции, что в случае разрушения лампы может нанести вред человеку, а также означает повышенные требования к утилизации, что не всегда делается должным образом.

Светодиодная лампа не имеет ни одного из недостатков, ни с точки зрения вреда экологии окружающей среды, ни с точки зрения вреда человеку, который ими пользуется.

2.3. Экономические расчеты

Расчет потребления электроэнергии лампами в квартире в течение года:

Исходные данные:

• Стоимость электроэнергии – 2,5 рубля за 1 кВт∙ч;

• Время горения ламп – 6 часов в день;

• Количество ламп в квартире – 10 штук.

• Стоимость лампы накаливания – 30 рублей;

• Стоимость энергосберегающей лампы – 150 рублей;

• Стоимость светодиодной лампы – 150 рублей;

• Мощность лампы накаливания – 60 Вт;

• Мощность энергосберегающей лампы – 15 Вт;

• Мощность светодиодной лампы – 7 Вт;

Срок службы:

• лампы накаливания – 1000 часов;

• энергосберегающей лампы – 6000 часов;

• светодиодной лампы – 30000 часов;

Задачи:

• найти стоимость электроэнергии за год работы в квартире

  • ламп накаливания;

  • энергосберегающих ламп;

  • светодиодных ламп.

• сравнить получившиеся результаты с учетом стоимостей ламп;

• сделать вывод об экономии электроэнергии при замене ламп.

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

• 2190ч ∙ 10 = 21900 ч – в год работают 10 ламп.

• 60 Вт ∙ 21900 ч = 1314000 Вт∙ч = 1314 кВт∙ч – потребляют лампы накаливания в год в квартире

• 1314 кВт∙ч ∙ 2,5 рубля/1 кВт∙ч = 3285 рублей в год плата за энергию при использовании ламп накаливания.

• 15 Вт ∙ 21900 ч = 328500 Вт∙ч = 328,5 кВт∙ч – потребляют энергосберегающие лампы в год в квартире

• 328,5 кВт∙ч ∙ 2,5 рубля/1 кВт∙ч = 821,5 рублей в год плата за энергию при эксплуатации энергосберегающих ламп

• 7 Вт ∙ 21900 ч = 153300 Вт∙ч = 153,3 кВт∙ч – потребляют светодиодные лампы в год

• 153,3 кВт∙ч ∙ 2,5 рубля/1 кВт∙ч = 383,25 рублей в год плата за энергию при эксплуатации светодиодных ламп (Приложение 6, 7).

• 3285 руб. – 821,5 руб. = 2463,5 рублей – экономия при использовании светодиодных ламп вместо ламп накаливания.

• 821,5 руб. – 821,5 руб. = 438,25 рублей – экономия при использовании светодиодных ламп вместо энергосберегающих ламп.

Таким образом, экономия денежных средств при эксплуатации светодиодных ламп очевидна. Эти расчеты выполнены без учета стоимости ламп.

Найдем стоимость ламп на год и итоговые затраты для квартиры.

• 10∙30руб. = 300 рублей стоимость 10 ламп накаливания.

• 3285 + 300 = 3585 рублей - итоговые затраты на лампы накаливания (то есть стоимость ламп и плата за электроэнергию за год в квартире)

• 10∙150руб. = 1500 рублей стоимость 10 энергосберегающих ламп или светодиодных ламп.

• 821,5 + 1500 = 2321,5 рублей итоговые затраты на энергосберегающие лампы (то есть стоимость ламп и плата за электроэнергию за год в квартире).

• 383,25 + 1500 = 1883,25 рублей итоговые затраты на светодиодные лампы.

В итоге: при покупке 10-ти ламп накаливания и их эксплуатации в течение 1 года потребуется 3585 рублей, а при использовании такого же количества энергосберегающих ламп потребуется около 2320 рублей, тогда как на светодиодные лампы пришлось бы потратить примерно 1890 рублей. Экономия очевидна. Учитывая ресурс работы, т.е. срок службы светодиодных ламп, который минимум в 30 раз превышает тот же параметр ламп накаливания и в 3 раза – энергосберегающих ламп, то экономия становится еще больше.

Таким образом, светодиодные лампы действительно экономичнее энергосберегающих ламп и ламп накаливания.

3.Заключение

В процессе выполнения работы изучена литература по устройству и принципу действия ламп накаливания, галогенных, светодиодных и энергосберегающих ламп, выяснены достоинства и недостатки перечисленных видов ламп.

При выполнении практической части работы произведены расчеты потребления электроэнергии разными видами ламп в квартире.

В результате проведенных исследований выяснено: светодиодная лампа – наиболее оптимальный источник искусственного света.

• Она отвечает требованиям безопасности, так как отсутствуют какие-либо вредные для человека излучения и пульсации света, а так же нет никаких ядовитых веществ в конструкции и, поэтому особых требований к утилизации.

• Светодиодная лампа самая лучшая и с точки зрения экономии средств на энергопотребление и замену испорченных (перегоревших) ламп, так как у нее высокая энергоэффективность (светоотдача на единицу потребляемой электрической мощности), она надежная (не содержит ненадежных узлов и деталей) и прочная, долговечная (срок службы до 50000 часов). Стоимость на рынке снижается со временем.

Таким образом, можно рекомендовать использовать светодиодные лампы в жилых и нежилых помещениях, в образовательных учреждениях. При установке необходимо учитывать соответствие предназначения и цветовой температуры ламп (Приложение 8, 9, 10).

4. Список литературы

1. Буравчикова Д. Лампа лампе рознь//статья из журнала/ Аргументы и факты №21, 2009.

2. Детская энциклопедия РОСМЭН « Открытия и изобретения». Москва, 2008 г.

3. Федеральный закон № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

4. https://samelectrik.ru/chto-luchshe-svetodiodnye-lampy-ili-energosberegayushhie.html#tsenovoj-diapazon

5. https://repaireasily.ru/volt/svetodiodnyie-ili-energosberegayushhie-luchshe.html

6. http://med-premium.ru/index.php/poleznaya-informatsiya/13-vliyanie-svetodiodnykh-lamp-na-zdorove-cheloveka

7. http://globalscience.ru/article/read/26931/

8. http://nikitich.livejournal.com/32199.html

9. https://www.vseinstrumenti.ru/electrika-i-svet/lampy/svetodiodnye/articles/kak-vybrat-v-kvartiru/?utm_referrer

5. Приложения

Приложение 1

Рис.1. Виды ламп

Приложение 2

Рис. 2. Внутренне устройство лампы накаливания

Приложение 3

Рис. 3. Внутренне устройство компактной люминесцентной лампы.

Приложение 4

Рис. 4. Внутренне устройство светодиодной лампы.

Приложение 5

Рис. 5. Сравнительные характеристики ламп.

Приложение 6

Рис. 6. Потребление электроэнергии 10-тью лампами в течение 1 года.

Приложение 7

Рис. 7. Стоимость электроэнергии, потребляемой 10-тью лампами в течение 1 года.

Приложение 8

Рис. 8. Сравнение мощности и светового потока ламп.

Приложение 9

Рис. 9. Цветовые температуры ламп.

Приложение 10

Как выбрать светодиодную лампу: рекомендации и полезные советы

Основные параметры, которые важны  при выборе, указаны на коробке. 

Мощность и световой поток

Эти две характеристики нужно рассматривать в паре. Если брать в расчет только мощность, можно прогадать с интенсивностью свечения. Преимущества светодиодов сложно оценить, когда у лампочки тусклый свет. При замене ламп накаливания или энергосберегающих нужно подобрать светодиодный аналог с соответствующим значением светового потока. В первую очередь стоит ориентироваться на световой поток, а лишь потом смотреть на мощность.

Цветовая температура

Светодиодные лампы за время своего существования успели обрасти всевозможными мифами. Один из них гласит: такой источник света имеет холодный синий оттенок и раздражает глаза. Так было раньше. Развитие светодиодных технологий дает возможность производителям выпускать лампочки в широком спектре цветовой температуры. Она измеряется в кельвинах. Например, теплый белый свет дают источники со значением в 2700 К. Если нужен нейтральный белый свет, подойдут лампочки со значением в 4100 К. Именно такие параметры цветности освещения комфортны для человека в повседневной жизни и в работе.

Распространенные типы цоколей

В большинстве люстр и светильников плафон имеет резьбовое крепление. Нужно узнать лишь его размер – 14 или 27 мм. Штырьковые крепления обычно у светильников, которые встраиваются в ниши и подвесные потолки, например, G4 или G9. Цифра обозначает расстояние между штырьками. Это далеко не все типы цоколей. Если лампа нестандартная, лучше ее выкрутить и по ней подбирать подходящую замену.

Распространенные формы ламп

Форму лампы нужно учесть, если есть вероятность, что классическая форма груши не влезет в плафон. Для настольных ламп с небольшим плафоном подойдет форма шара. Для люстр с узкими плафонами – свеча. Если на стене установлен бра с прозрачным плафоном, наиболее эффектно будет смотреться лампа в форме свечи на ветру.

Нюансы светодиодного освещения, о которых нужно знать

Тип стекла колбы влияет на яркость освещения. Матовая колба подойдет для создания рассеянного мягкого света. Это необходимо в спальне или в зоне отдыха. Примерно 5 – 10% света поглощается колбой. Поэтому для рабочей зоны или кухне такой вариант лучше не использовать. Когда нужен яркий искристый свет, лучшим решением станет прозрачная колба. Она пропускает больше света и обеспечивает достаточное освещение.
На качество освещения влияет угол светового пучка. Для закрытого плафона и направленного света подойдет светодиодная лампа с углом 120°. Это отличный вариант для настольного светильника. Для основного освещения комнаты лучше выбирать изделия с углом в 360°. Тогда свет будет рассеиваться в разные стороны, и все участки помещения будут хорошо освещены.