«ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП ПО СРАВНЕНИЮ С ДРУГИМИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ»

«ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП ПО СРАВНЕНИЮ С ДРУГИМИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ»

Хамидуллин Тагир Радикович

МБОУ «СОШ №1 г. Азнакаево» Азнакаевского муниципального района Республики Татарстан

Преподаватель: Хафизова Зиля Марсиловна, учитель физики

Азнакаево, 2023

Оглавление

1. Введение2

2. Основная часть3

2.1 История светодиодных ламп3

2.2 Самостоятельное изучение светодиодных ламп3

2.3 Виды ламп освещения и их характеристики4

2.4 Преимущества и недостатки ламп освещения 4

2.5 Время использования освещения ламп в квартире5

2.6 Использование искусственного освещения в январе5

2.7 Использование искусственного освещения в июне5

2.8 Использования освещения, часов в месяц6

2.9 Расчеты потребления электроэнергии6

2.10 Расходы на покупку и оплату электроэнергии ламп освещения7

3. Заключение8

4. Список использованных источников и литературы8

5. Приложения9

5.1 Приложение 1. Время использования освещения в квартире9

5.2 Приложение 2. Расчеты потребления электроэнергии10

5.3 Приложение 3. Расходы за освещения в течение года11

Введение

В каждом нашем доме присутствует освещение, мы все хотели бы сэкономить деньги на затрату электроэнергии. Но ведь одни лампы дешевле, другие – качественнее и экономнее, как же это сделать и какие лампы лучше использовать?

Многие задаются подобными вопросами. Один из ответов – нужно заменить все лампы на светодиодные лампы, и сейчас мы проведём расчёты, насколько это выгодно и выгодно ли это вообще, ведь на первый взгляд лучше покупать не светодиодные лампы, а другие лампы, так как они дешевле, но это не так. Экономия электроэнергии важна как для граждан и природы, так и  имеет государственное и всемирное значение. Вы спросите, причем тут природа и весь мир? Дело в том, что бывают разные виды добычи энергии и далеко не все из них экологичны и некоторые загрязняют природу. Например, такие источники электроэнергии, как нефть, уголь, ядерная и термоядерная энергия не бесконечны и тем более загрязняют наш окружающий мир.

Итак, сформулируем проблему: как уменьшить затраты на освещение?

Для решения проблемы экономии электроэнергии был составлен следующий план:

Объект исследования: сравнительный анализ осветительных ламп. Предмет исследования: различные виды ламп освещения. Цель исследования:

- ознакомиться с видами ламп освещения;    

- Рассчитать экономический эффект замены осветительных ламп на светодиодные лампы в трехкомнатной квартире и период окупаемости вложений. Задачи исследования:

1. Собрать информацию о различных видах ламп.

2. Провести анализ и узнать, сколько часов будут использоваться лампы в год.

3. Провести экономические расчеты.

4. Просчитать экономическую эффективность светодиодных ламп.

Методы исследования: наблюдение. описание, анализ, измерения, сравнение, изучение, обобщение, расчеты. Гипотеза исследования: моё предположение, что более экономными и энергосберегающими будут светодиодные лампы.

Личный вклад: я самостоятельно отправился в магазин для сравнения ламп. Были изучены их характеристики в магазинах, в интернете, приведены расчёты  с учётом рыночных цен.

Краткий обзор используемой литературы:

1. Давиденко Ю. Современные светодиоды // Cyberleninka.ru –  научная электронная библиотека. URL:[ https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-svetodiody ]
2. Карницкий В.Ю. Филатова А.С. Новое поколение энергосберегающих ламп // Cyberleninka.ru –  научная электронная библиотека. URL:[ https://cyberleninka.ru/article/n/novoe-pokolenie-energosberegayuschih-lamp ]

История светодиодных ламп

Светодиодные, люминесцентные лампы и лампы накаливания были созданы в XIX-XX веках, причем самая старая лампа – лампа накаливания, более молодая – люминесцентная, а самая молодая – светодиодная, но все лампы были изобретены сравнительно недавно, причём очень много разных учёных из разных  стран вносили свой вклад в создание осветительных приборов.

Первое известное сообщение об излучении света твердотельным диодом было сделано в  1907 году британским экспериментатором Генри Раундом. В 1923 году О. Лосев увидел в радиолаборатории свечение в точке контакта двух разнородных материалов. Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк. Жак Панков в 1971 году он с коллегами получил синее свечение на нитриде галлия и создал первый синий светодиод. В 1993 году Сюдзи Накамура впервые создал синий светодиод и только в 1996 году совместно с японскими физиками Хироси Амано и Исама Акасаки, они, покрыв люминофором, изобретают белый люминофорный светодиод. За это достижение их наградили Нобелевской премией. С этого момента светодиоды получили широкое распространение.

Самостоятельное изучение светодиодных ламп

Я провёл анализ представленных на рынке ламп. И вывел следующие различия характеристик: мощности, цоколи, температуры свечения, формы и размеры, яркости свечения, предельно допустимые напряжения, области применения (фасадные, садовые, влагозащищённые и взрывозащищённые, подводные, бытовые, прожекторные, автономные, промышленные, для светофоров и прочие).

Лампа накаливания – это источник света, состоящий из  нагревающегося проводника, который излучает свет при высокой температуре, чаще всего в роли проводника выступает тугоплавкий закрученный в спираль металл (вольфрам) или угольная нить. (есть модификация лампы накаливания – галогенная лампа, наполненная газами галогенами)

Люминесцентная лампа или лампа дневного света – газоразрядный источник света, представляющий собой стеклянную колбу, в котором электрический разряд в парах ртути генерирует ультрафиолетовое излучение. С помощью люминофора этот свет переизлучается в видимый спектр.

Светодиод – это  полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока. Работа светодиода основана на явлении возникновения светового излучения при прохождении тока через p-n-переход. Светодиоды бывают различных видов: с разными линзами, без линз, с рассеивателями (характерно для светодиодных ламп для больших помещений) люминофорные (белые) и одноцветные (красные, синие и зеленые).  В работе же будут рассматриваться светодиоды для стандартного комнатного освещения.

Виды ламп освещения и их характеристики

Преимущества и недостатки ламп освещения

Таблица 1 – достоинства и недостатки ламп освещения

Применение светодиодных ламп позволило сделать автономные источники света, фонари и светильники, гирлянды, работающие от солнечных батарей за счёт низкого потребления электроэнергии. Светодиоды так же очень часто применяются в современной электронике, такой, как светодиодная лента, вывески магазинов, в светофорах и рекламных щитах, рекламных баннерах. Светодиоды обладают огромным сроком службы и очень высоким КПД, безопасны в использовании.

Время использования освещения ламп в квартире

Давайте проведём расчёт использования освещения в стандартной трёхкомнатной квартире в течение года.

Предположим, что владелец стандартной трёхкомнатной квартиры будет каждый день вставать в 6 утра и ложиться в 10 вечера, при этом не будет использовать освещение во время сна и светлым днём. 21 июня – самый длинный день, а 22 декабря – самый короткий день в году, значит, нужно учесть, что в разные месяца использование освещения сильно отличается.

Тогда за год он будет использовать освещение примерно 1641 час, учитывая время восходов и закатов каждого месяца (см. Приложение 1).

Использование искусственного освещения в январе

В качестве примера рассмотрим круговую диаграмму использования искусственного освещения в январе (см. Диаграмму 1). Получается, что днём в течение 8 часов освещение не требуется, утром и вечером в сумме освещение используется 8 часов, при этом человек спит 8 часов в сутки.

Диаграмма 1 – использование искусственного освещения в январе

 Использование искусственного освещения в июне

Диаграмма 2 – использование искусственного освещения в июне

Если же будем рассматривать использование искусственного освещения в июне (см. Диаграмму 2), то там будут иные сведения, так как длительность темного времени суток намного меньше, чем светлого времени суток. Видим, что утром в 6:00 уже рассвело, освещение не требуется в течение 15 часов, затем вечером используем освещение в течение 1 часа и с 22:00 уже время сна.

Использование освещения, часов в месяц

Для наглядности выразим данные в виде графика, в котором видно использование освещения в каждом месяце. Потребление электроэнергии в зимние месяцы отличается в разы, по сравнению с потреблением летом.

График 1 – использование освещения в разные месяца, часов в месяц

Это связано с различной длительностью дня и ночи в течение суток, так, 22 декабря – самый короткий день в году, а 21 июня – самый длинный.

Расчеты потребления электроэнергии

Проведём расчёты потребления электроэнергии при использовании различных видов ламп. Также стоит учитывать тот факт, что количества световой мощности будут отличаться. Световой поток – это световая энергия, переносимая на какую-либо поверхность излучателем за единицу времени и измеряющаяся в люменах. Яркость свечения – это отношение силы свечения к освещаемой площади  различных ламп. Стоит отметить, что световой поток ламп различен и зависит от мощности потребления электроэнергии:

Световая отдача лампы накаливания – от 9 до 19 Лм/Вт;

Светоотдача люминесцентной лампы (лампы дневного света) находится в пределах от 45 до 100 лм/Вт;

Светоотдача светодиодной лампы – от 80 до 190 Лм/Вт.

Для корректного подсчёта стоимости использования освещения приведём эти мощности к единому световому потоку. Получается, что мощности потребления ламп накаливания, люминесцентных ламп и светодиодных ламп примерно равны 60 Вт, 36 Вт и 11 Вт соответственно.

Преобразовав формулу 1 с учётом того, что напряжение в квартире равно 220 В, получим:

IЛН=60/220≈0,273 А,

IСД=11/220≈0,05 А,

IЛДС=36/220≈0,164 А,

а соединив параллельно 10 ламп сила тока станет 2,73 А, 0,5 А, 1,64 А для ламп накаливания, светодиодов и ламп дневного света соответственно.

Для расчётов потребления электроэнергии используем формулу:

 ,                              (2)

где

S – стоимость затрат на использованную электроэнергия (руб.),

N – количество осветительных ламп в стандартной трёхкомнатной квартире.

3,93 – стоимость тарифа (3,93 руб./ 1 КВт∙ч),

P – мощность потребления электроэнергии (КВт),

t – время использования электроэнергии (часы).

В наших расчётах будем использовать 10 ламп накаливания с мощностью в 75 Вт каждая, 10 ламп дневного света (люминесцентных) с мощностью в 36 Вт и 10 светодиодных ламп мощностью 11 Вт. Время использования освещения за год составило 1641 час, как мы рассчитывали ранее.

Так, получаем потребления за год 1230,75 КВт∙ч за использование ламп накаливания, 180,51 КВт∙ч за использование светодиодных ламп и  590,76 КВт∙ч за использование люминесцентных ламп.

Если же умножить эти числа на тариф за плату электроэнергии, получим: Затраты на использование ламп накаливания в течение года составят 4836,85 руб., на использование светодиодных ламп – 709,40 руб., а за люминесцентные лампы – 2321,69 руб.

Судя по расчётам (см. Приложение 2), самыми экономными являются светодиодные лампы.

Расходы на покупку и оплату электроэнергии ламп освещения

Давайте рассчитаем, что будет если в январе купить лампы и использовать их в течение года, учитывая стоимость покупки ламп, их количество длительность использования освещения каждый месяц используя ту же формулу(1).

Расчёты сделаны для периода с января до декабря месяцев, покупка ламп была произведена первого января.

Как мы можем видеть, люминесцентная лампа окупается только спустя полугода относительно лампы накаливания, а в конце мая светодиоды окупаются относительно всех ламп за счёт низкого потребления электроэнергии. (см. Приложение 3). Светодиоды имеют срок службы 15 000 часов (после этого времени их яркость снижается на 30%, происходит деградация светодиода), примерно 10 лет, а у ламп накаливания срок службы около 1000 часов. Без учётов выгорания ламп накаливания, экономия использования светодиодных ламп по сравнению с лампами накаливания в течение 10 лет составит около 40 000 руб., а по сравнению с  люминесцентными лампами (лампами дневного света) около 15 000 руб.

Заключение

Период окупаемости проекта замены осветительных ламп на светодиодные лампы для стандартной трёхкомнатной квартиры составил 5 месяцев, если замена производилась в начале года.

Поставленные цели и задачи были достигнуты – мы ознакомились с различными лампами и рассчитали экономический эффект.

Предположения подтвердились и светодиоды действительно экономичнее, чем другие лампы.

У светодиодных ламп долгий срок службы – 15 000 часов, или 10 лет.

За 10 лет использования по сравнению с лампами накаливания экономия составит примерно 40 000 руб., а с люминесцентными лампами – 15 000 руб.

Использование светодиодных ламп существенно снижает:

1. Затраты на электроэнергию,

2. Нагрузку на электропроводку,

3. Вредные выбросы электростанций и тем самым положительно влияет на экологию,

4. За счёт высокого ресурса службы уменьшает затраты на замену ламп (лампы уличного освещения, производственных помещений, складов).

Именно поэтому светодиоды несут огромную пользу всему миру.

В дальнейшем планируется изучить возможную экономию не только в квартире, но и в больших предприятиях.

Список использованных источников и литературы:

3. Материал из Википедии. Светодиод. URL:[https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B4]
4. Гипермаркет фонарей. Виды электрических ламп URL:[https://fonariki.ru/articles/vidy_elektricheskih_lamp_a_takzhe_ih_dostoinstva_i_nedostatki/]
5. Таблица времени восхода и захода

URL: [https://timewek.ru/citysun.php]

6. Восход и закат солнца

URL: [https://planetcalc.ru/300/]

7. Первая электрическая лампочка

URL: [https://vamfaza.ru/istoria-lampi/#%D0%9A%D1%82%D0%BE_%D0%B8_%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%B4%D0%B0_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B2%D1%8B%D0%BC_%D0%B2_%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B5%D0%BB_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D1%83%D1%8E_%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%BF%D0%BE%D1%87%D0%BA%D1%83]

8. Сравнительная характеристика источников видимого оптического излучения. Авторы: К. А. Тиняков и Я. А. Забара.