Лучшая лампочка?

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………2

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ЛАМП……………………...3

2.2. АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАМП ….6

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………….9

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….... 10

ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………11

ВВЕДЕНИЕ.

Мы давно привыкли к разнообразию осветительных устройств, доступных на рынке. По статистике домашнее освещение – это прежде всего лампы накаливания (ЛН), компактные люминесцентные (КЛЛ), галогеновые (ГЛ) и светодиодные (СДЛ). [10],  [11], [12], [13]. Опрос обучающихся 7,8 классов МБОУ СОШ № 14 (120 человек) показал, что лампы накаливания освещают квартиры 52,5% опрошенных, компактные люминесцентные лампы – 18,33%, светодиодные – 2,5%, галогеновые – 3,33% респондентов. В квартирах 23,33% обучающихся лампы накаливания используются в сочетании с КЛЛ, СДЛ и ГЛ. Из статистики видны предпочтения потребителей. Казалось бы, история лампы накаливания должна остаться в прошлом, но избавить потребителя от такого уникального, простого (в сравнении с остальными видами) устройства не так-то просто.

Тем не менее, вопрос об экономичных способах освещения стоит на государственном уровне. В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу, во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные, светодиодные и др.) лампы. 2 июля 2009 года на заседании в Архангельске президиума Государственного совета по вопросам повышения энергоэффективности Президент РФ Д. А. Медведев предложил запретить в России продажу ламп накаливания. 23 ноября 2009 года Д. А. Медведев подписал принятый ранее Государственной думой и утвержденный Советом федерации закон 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Согласно документу, с 1 января 2011 года на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, а также запрещается размещение заказов на поставку ламп накаливания любой мощности для государственных и муниципальных нужд; с 1 января 2013 года может быть введен запрет на электролампы мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 года — мощностью 25 Вт и более. [9].  

Государство ставит перед нами задачу об эффективном и экономичном способе освещения. Возникает проблема: как убедить потребителя в необходимости использования более экономичных ламп освещения? Существуют ли реальные преимущества в использовании СДЛ и КЛЛ? Меня заинтересовала эта проблема.

Ставим цель: выяснить – какая лампа более выгодна и удобна для освещения квартиры. Формулируем задачи: 1. Получить и изучить информацию об основных характеристиках четырёх видов ламп освещения: лампах накаливания (ЛН), галогеновых лампах (ГЛ), компактных люминесцентные лампах (КЛЛ) и светодиодных лампах (СДЛ).

Выяснить все достоинства и недостатки НЛ, ГЛ, КЛЛ и СДЛ.

Изучить рынок бытовых электроосветительных приборов (ламп).

Рассчитать экономические (финансовые) затраты при эксплуатации ламп.

Будем применять следующие методы исследования: анкетирование, обработка и анализ информационных источников по проблеме, сопоставление, математическая и графическая обработка, анализ результатов полученных данных.

Для принятия решения потребитель должен взвесить «за» и «против», сопоставить экономические издержки и выгоды применения указанных ламп освещения, то есть оценить их экономическую эффективность.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ЛАМП.

Применяемые нами лампы обладают принципиально различными свойствами. Эти различия вызваны  устройством ламп, принципом действия, технологией их производства. [1], [2], [10], [11], [12], [13]. Всё это приводит к отличиям и особенностям при эксплуатации. Каждый из видов ламп (за исключением светодиодных) имеет настолько богатую историю применения, в том числе и в быту, что настоящее время мы можем смело указать на выявленные достоинства и недостатки. Проанализируем их.

Лампы накаливания (ЛН)

Преимущества (достоинства): налаженное массовое производство; малая стоимость; небольшие размеры; отсутствие пускорегулирующей аппаратуры; нечувствительность к ионизирующей радиации; быстрый выход на рабочий режим; низкая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения; возможность работы на любом роде электрического тока; нечувствительность к полярности напряжения; возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт); непрерывный спектр излучения; устойчивость к электромагнитному импульсу; возможность использования регуляторов яркости; не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды.

Недостатки: низкая световая отдача, световой КПД весьма мал и не превышает 4 %; резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения; относительно малый срок службы; хрупкость, чувствительность к вибрации; скачок значения силы тока при включении (примерно десятикратный); при термоударе или разрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона; пожароопасны (температура наружной поверхности достигает значений 100°C - 330 °C в зависимости от мощности); нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников.

Галогеновые лампы (ГЛ)

Преимущества (достоинства): могут без каких-либо доработок быть использованы как прямая замена обычных ламп накаливания; могут быть очень компактными; обладают очень хорошей цветопередачей; повышенная светоотдача (в сравнении с ЛН); долговечность (в сравнении с ЛН).

Недостатки: высокая температура колбы, разогревается до пожароопасных температур; очень чувствительны к жировым загрязнениям, любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения, что ведёт к локальным повышениям температуры колбы; необходимость учитывать при монтировании дальнейшего полного исключения всякой возможности её соприкосновения с любыми находящимися поблизости предметами и материалами, и тем более человеческим телом; чувствительны к перепадам напряжения, требуется использование трансформатора; ограниченный ресурс переключения, связанный с нагревом нити накаливания.

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)

Преимущества (достоинства): низкое энергопотребление; длительный срок службы в непрерывном цикле эксплуатации (без частого включения/выключения); высокий КПД, высокая световая отдача; низкий нагрев корпуса и колбы; не является точечным источником, а излучает свет всей поверхностью колбы; возможность создания ламп с различными значениями цветовой температуры, а также ламп различных цветов и мягкого ультрафиолета с высоким КПД.

Недостатки: опасность при повреждении такой лампы в быту из-за содержания ртути в колбе, проблема в утилизации; не рассчитаны на частые включения; загорается не мгновенно, а спустя примерно 0,5-3с после подачи напряжения; использование выключателей с подсветкой приводит к периодическому, кратковременному зажиганию ламп; несовместимы с диммерами; применение во влажных и неотапливаемых помещениях, на открытом воздухе (в том числе в герметичных светильниках), а также в ряде ответственных применений нецелесообразно: зажигание не гарантировано при отрицательных температурах и понижении напряжения питания более чем на 10 %, перегрев колбы приводит к «покраснению» спектра лампы и значительному уменьшению светоотдачи, повышенная влажность и выпадение конденсата приводят к пробоям в электронной схеме; в спектре имеется доля коротковолнового УФ излучения, увеличивающаяся по мере старения люминофора.

Светодиодные лампы (СДЛ)

Преимущества (достоинства): долговечность; высокий КПД, высокая световая отдача; низкое энергопотребление; высокая механическая прочность, вибростойкость; внешняя привлекательность; неограниченное количество циклов включения/выключения; малая инерционность (включаются сразу на полную яркость); низкая рабочая температура - не более 100°C; нечувствительность к низким и очень низким температурам; хорошая однородность света и цветопередача (световое пятно однородно по всему рисунку); широкий спектр - от тёплого белого до холодного белого; малое ультрафиолетовое и инфракрасное излучение; угол излучения - от 15 до 180 градусов.

Недостатки: очень высокая цена; температура светодиодного кристалла является основным фактором, влияющим на срок жизни светодиодной лампы, (неиспользование радиатора снижает время работы в несколько раз); срок службы светильника зависит от срока службы используемых светодиодов и электронного блока, в том числе встроенного источника питания (при выходе из строя любого из этих элементов, светильник не ремонтируется, а заменяется на новый); не приспособлена для питания через диммер, но существуют специальные регулируемые диммером светодиодные лампы.

На какие же важные моменты обратит внимание потребитель, сравнивая преимущества и недостатки ЛН, ГЛ, КЛЛ, СДЛ?

Дешевизна лампы накаливания.

Высокая цена компактной люминесцентной лампы, еще более высокая стоимость светодиодных.

Низкое энергопотребление, высокая светоотдача КЛЛ, СДЛ.

Отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации для ЛН, ГЛ, СДЛ. Проблема в утилизации КЛЛ.

Существующая инфраструктура освещения в основном рассчитана для ЛН, ГЛ и СДЛ. Отмечается неполная совместимость с существующей инфраструктурой освещения КЛЛ. Но при использовании в домашних условиях важно учесть один  «минус» КЛЛ - частые включения-выключения лампы снижают их срок службы.

Технологии производства СДЛ развиваются. СДЛ совершенствуется.

Несомненно, будущее – за компактной люминесцентной и светодиодной лампами, но потребители  прежде всего обращают внимание на финансовые затраты. Проведём дальнейшие рассуждения - сравним экономическую эффективность ламп.

2.2. АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАМП.

Изучили рынок товаров – бытовых электроосветительных приборов (ламп). [5], [6], [7], [8].   Для сравнения экономической эффективности ламп выбрали представителей 4 вида ламп диаметром цоколя 27 мм (Е27), одинаковой светимости в 720 лм. Для анализа  используемых источников света необходимо учитывать не только потребление электроэнергии, но и ряд других показателей: время жизни лампы (указанное производителями), стоимость одной лампы, а для галогеновых ламп стоимость сопутствующего электроустановочного оборудования – трансформатора. Получилась сводная таблица характеристик:

Уточним, что 50000 часов - реальное максимально возможное время работы светодиодных ламп. Официально время работы большинства светодиодных светильников гарантируется производителями в 100000 часов. Однако проведенные немецкими специалистами исследования показали, что достижима лишь половина от заявленной величины. [13].

Установим математическую зависимость для экономических (финансовых) затрат при использовании ламп. Можно считать экономические затраты функцией f от времени работы лампы (t) вида:

f (t) = w t A +C 

где номинальная мощность (w), стоимость лампы (А) и цена ватта энергии (C) - величины постоянные, величина  – натуральные числа от единицы до максимального значения, - порядковый номер используемой лампочки за определённый промежуток времени, другими словами – количество использованных ламп за выбранное расчетное время:

         ,   (2)

При заданном значении  за определённый промежуток времени работы лампы функция f (t) является линейной. Но так как  будет меняться, то и значение функции будет меняться (увеличиваться) скачкообразно через промежуток времени, равный времени жизни лампы данного вида. Таким образом, функция вида f (t) = w t A +C является кусочно-линейной.

Найдём для указанных видов ламп значение финансовых затрат – стоимость эксплуатации с учётом затраченных средств на покупку лампы (лампочек) за расчётное время в 50000 часов, то есть за время функционирования одной  светодиодной лампы. Проведём расчёты по формулам (2) и (1).

f1 = 60×50000×0,00313+20×50=9390+1000=10390 (лампа накаливания)

f2 = 40×50000×0,00313+340×25=6260+8500=14760 (галогеновая лампа)

f3 =13×50000×0,00313+140×8=2034,5+1120=3154,5(компактная люминесцентная лампа) f4 = 10×50000×0,00313+2025×1=1565+2025=3590 (светодиодная)

Полученные результаты занесём в таблицу:

Стоимость ватт•часа - тариф электроэнергии в городе Архангельске.

По полученным результатам построим гистограмму.

По данной гистограмме видно, что наиболее дорогими лампами в процессе эксплуатации являются галогеновые лампы. Менее затратными являются лампы накаливания. Многократно более экономичными являются компактные люминесцентные лампы и лишь немного дороже светодиодные лампы. Последние как источники бытового освещения только начинают свою жизнь. Технологии производства еще только отрабатываются. Количество производителей невелико. Их цена явно не соответствует затратам на производство. О чем говорит отсутствие зависимости между ценой и мощностью светодиодных ламп.[7]. Цена в дальнейшем должна измениться в пользу светодиодных ламп.

Мы сравнили экономическую эффективность ламп за выбранный период в 50000 часов. Стоит выяснить, в какой момент времени наступает финансовая выгода от использования дорогостоящей, но малой мощности потребления электроэнергии лампы по сравнению с дешёвой, но более энергозатратной. Другими словами - момент, когда затраты потребителя начинают оправдывать себя.

Для этого построим графики зависимости f (t) для каждого вида ламп. Расчёты и построения будем вести в таблице программы Microsoft Excel 2010 (Приложение 1). Проведем наложение графиков (Приложение 2).

По точкам пересечения графиков мы можем судить о том, в какой момент наступит финансовая выгода при использовании СДЛ и КЛЛ взамен ГЛ и ЛН. Кажущееся сближение кривых f3 и f4 никогда не приведёт к их пересечению, так как через 50000 часов кривая f4 ступенеобразно поднимется вверх в связи с необходимостью покупки новой лампы. Как отмечалось выше, ситуация значительно изменится при существенном снижении цены на светодиодные лампы. Перспектива снижения стоимости светодиодной лампы без сомнения существует. Так в  настоящий момент цена карманного фонаря со светодиодами сравнялась с ценой карманного фонаря с лампой накаливания. А вот перспективы снижения стоимости КЛЛ нет, так как технология их изготовления является достаточно сложной. [11].

Для большей наглядности выполним построения графиков с другим временным интервалом.

Момент наступления финансовой выгоды при использовании КЛЛ и СДЛ в сравнении с другими лампами определим графически. Найдём координату t точек пересечения. (Приложение 2). Выгода от применения светодиодной лампы взамен галогеновой наступит через 6700 часов, а взамен лампы накаливания - через 11200 часов её эксплуатации. Выгода же от использования КЛЛ взамен галогеновой лампы – с момента начала эксплуатации, взамен лампы накаливания - через 700 часов эксплуатации.

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

Самую высокую экономическую эффективностью дают компактные люминесцентные лампы.

В случае падения цены на светодиодные лампы их экономичность превысит экономичность КЛЛ.

Финансовая выгода от применения компактной люминесцентной лампы взамен лампы накаливания или галогеновой лампы наступит через время, меньшее времени жизни ЛН или ГЛ.

Галогеновые лампы не являются экономичными в полном смысле этого слова.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Мы провели сравнительный анализ экономической эффективности четырёх самых распространенных по применению населением страны электроосветительных приборов: лампы накаливания, галогеновой, компактной люминесцентной и светодиодной лампы.

В работе не ставилась цель доказать экономичность и экологичность компактной люминесцентной лампы и  светодиодной лампы в масштабах всей страны. Экономия электроэнергии в масштабах государства и сокращение выброса углекислого газа в атмосферу становится очевидной.

Но доказать экономичность применения компактной люминесцентной лампы для бюджета семьи удалось. Падение цены на светодиодные лампы также приведёт к финансовой выгоде от её использования. Несмотря на предвзятое отношение населения к дорогостоящим КЛЛ и светодиодным лампам, проведенный анализ показывает их несомненную экономическую эффективность.

Необходимо менять отношение потребителей к энергосберегающим лампам. При этом надо действовать не только запретами на производство и использование ламп накаливания [9], а показывать потребителю реальную выгоду экономическими расчетами. Тогда каждый гражданин сделает осознанный выбор в пользу более экономичных осветительных приборов.

 ЛИТЕРАТУРА.

Курс физики.  Т.И. Трофимова – М.: «Высшая школа», 1998. –с.542  

Физика.  О.Ф.Кабардин.-М.:Просвещение,1991.-367с.

 Очерки истории науки и техники XVI – XIX веков.  В.С.Вергинский.-М.:Просвещение,1984.-с. 286      

Сто великих изобретений.  К.В. Рыжов – М.: «Вече», 2000. с.528

http://www.energoportal.ru/catalog/lampy-energosberegayuschie/

http://www.energoportal.ru/catalog/lampy-nakalivaniya/

http://www.energoportal.ru/catalog/lampy-svetodiodnye/

http://www.lampa.energoportal.ru/lampy-galogennye-malogabaritnye

http://www.rg.ru

http://ru.wikipedia.org/wiki/Галогенная_лампа

http://ru.wikipedia.org/wiki/Компактная_люминесцентная_лампа

http://ru.wikipedia.org/wiki/Лампа_накаливания

http://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиодная_лампа

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

Лампа накаливания

Галогеновая лампа

Компактная люминесцентная лампа

Светодиодная лампа

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.