Исследовательская работа «Будущее в энергосбережении за светодиодными лампами»

Районная учебно­исследовательская конференция «Старт в науку» Исследовательская работа по теме: «Будущее в  энергосбережении за светодиодными лампами» Работу выполнили ученики 10­го класса:  Турманов Талгат и Дьячков Артем Учитель математики: Баймуканова Гульнара Тлеуовна МБОУ «Юбилейная СОШ, 2015 год ВВЕДЕНИЕ  СОДЕРЖАНИЕ ОПРОС: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП В БЫТУ I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМПАХ  I.1. Характеристики ламп I.2. Строение светодиодных ламп I.3. Преимущества светодиодных ламп I.4. Недостатки светодиодных ламп II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ  II.1. Эксперимент: вычисление потребления ламп с помощью измерений тока  нагрузки и напряжения сети  II.2. Сравнение характеристик лампы накаливания и альтернативной светодиодной II.3. Расчет потребления электроэнергии ламп в школьном уличном освещении III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ  IV. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ­РЕСУРСОВ ВВЕДЕНИЕ Нашу   жизнь   невозможно   представить   без   искусственного   освещения.   Для жизни и работы людям просто необходимо освещение с применением ламп. Раньше для этого использовались только   обычные лампочки накаливания, которые  были изобретены в 20 веке, а уже  в следующем, двадцать  первом веке, очень остро встала   проблема   дефицита   ограниченных   ресурсов.   Экономия   ресурсов потребовала создание инновационных решений в области сбережения энергии. Так и появились светодиодные лампы, которые вызвали спор в обществе: экономичны ли новые лампы при такой высокой стоимости? Ресурсы   электроэнергии   не   бесконечны.   Электроэнергия   поступает   в   наши дома с электростанций различного типа, и для ее производства сжигаются уголь, нефть, газ. Экономное использование электроэнергии позволит сократить объемы использования   этих   энергетических   ресурсов,   а,   значит,   и   снизить   выбросы вредных   веществ   в   атмосферу,   сохранить   чистоту   водоемов.   Кроме   того, увеличение эффективности использования электроэнергии ­ это и реальный способ снизить   затраты   на   оплату   счетов   за   электричество.   Ведь   стоимость электроэнергии   напрямую   связана   со   стоимостью   топлива,   запасы   которого ограничены и цены, на которое постоянно растут.  Изрядное количество электроэнергии расходуется на освещение. Наиболее привычный для нас способ освещения ­ это использование ламп накаливания. Они широко распространены и очень дешевы, однако потребляют они намного больше, чем   энергосберегающие   приборы.   Многие   сомневаются   в   экономичности энергосберегающих ламп. Мы провели опрос учащихся средних классов в нашей школе и вот что у нас получилось. Из диаграмм видно, что большинство семей наших учащихся все же  пользуются энергосберегающими лампами. Т. е. они задумываются об экономии  энергии. Но не все ознакомлены с еще одним способом экономии энергии, более  55% опрошенных не знают о существовании светодиодных ламп. Акцент был  сделан именно на лампах, а не на диодах. И только у одного из 64 человек  имеются светодиодные лампы.  ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Рассмотрение вопроса энергосбережения с помощью использования  светодиодных ламп. ЗАДАЧИ: 1. Рассмотреть основные характеристики ламп; 2. Изучить строение светодиодных ламп; 3. Выявить преимущества и недостатки светодиодных ламп; 4. Экспериментально показать экономию при использовании светодиодных  ламп на примере охранного освещения школы. ГИПОТЕЗА: Выявить действительно ли светодиодные лампы экономят электроэнергию. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: изучение литературы; опрос; обработка данных; измерение, вычисление, сравнение и анализ результатов; прогнозирование. I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМПАХ  I.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМП Световой   поток.   Световой   поток   –   одна   из   главнейших   характеристик эффективности   световых   приборов.   Электрическая   мощность   лампы   не гарантирует   яркого   свечения,   так   как   значительная   часть   энергии   может преобразовываться в невидимые человеческим глазом волны – инфракрасные или ультрафиолетовые.   Световой   поток   характеризует,   какая   именно   часть электрической   мощности   преобразуется   электрическим   источником   в   видимый свет. За единицу его измерения принят 1 Люмен (Лм). Измерение светового потока проводят с помощью специальных приборов – сферических фотометров. Световая   отдача.   Световая   отдача   является   важнейшей   характеристикой источника   света   в   том   случае,   когда   речь   идёт   об   энергосбережении.   Эта характеристика лампы характеризует соотношение величины светового потока и потребляемой   источников   света   мощности.   Говоря   проще,   это   количество вырабатываемого   света   на   каждый   ватт   мощности   лампы.   Единицей   измерения служит   лм/Вт   (люмен/Ватт).   Максимальная   теоретически   возможная   световая отдача  составляет  683 лм/Вт.  Теоретически – потому  что современной физике неизвестен способ превращать энергию в лучистый свет без потерь. Срок службы.  Это   срок  работы   до   полного   выхода   из   строя.  Лидеры   по этому   показателю   являются   светодиодные   лампы,   следом   люминесцентная   и последняя лампа накаливания. Мощность.   Мощность   характеризует   уровень   энергопотребления   лампы. Этот   показатель   измеряется   в   Ваттах.   У   энергосберегающих   приборов   он существенно ниже, чем у традиционных ламп накаливания при одинаковом уровне светимости. I.2. СТРОЕНИЕ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП  Цоколь – место крепления лампы к патрону. В светодиодных лампах могут использоваться   различные   типы   цоколей.   Но   в   основном   в   бытовых   лампах используется Е27, «обычный» в народе. Драйвер  –   устройство,   предназначенное   для   преобразования   переменного напряжения сети в постоянное. Используется для питания платы светодиодов. Плата   со   светодиодами   (кластер)  –   алюминиевая   пластинка   с закрепленными на ней диодами. Служит для крепления диодов, а также отводит тепло. На кластере расположено большое количество диодов, от их количества зависит мощность. Рассеиватель  –   прозрачно­матовая   полусфера   преобразует   точечный   свет диодов в равномерный поток. Принцип действия светодиода С помощью катода электрический ток подводится к кристаллу и выводится  анодом. Электроны, проходя через кристалл, испускают фотон, которые изначально имеют синий цвет и для того чтобы получить привычный белый они должны пройти  через слой люминофора, который насыщает поток желтым оттенком. Для получения направленного света в строении диода используются рефлектор, который отражает  свет в одну сторону, и линза, предназначенная для рассеивания или  концентрирования потока. I.3. ПРЕИМУЩЕСТВА СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП 1.   Экономичность.   Светоотдача   таких   ламп   составляет   70­90   лм/ватт.   Для сравнения  лампочки  накаливания  могут  отдать  только  15­20 лм/ватт. Нужно сказать,   что   диоды   могут   «разогнаться»   до   150   лм/ватт,   однако   затраты   на производство таких ламп сильно увеличиваются. 2. Срок службы. Жизненный цикл ламп в среднем составляет 25000 часов. 3.   Безопасность   использования.   Такие   лампы   не   содержат   паров   ртути   и   не испускают опасного ультрафиолетового излучения. 4.   Независимость   от   окружающей   среды.   Температурный   режим   у   них варьируется от ­40­ка до +60­ти градусов по Цельсию, а также они устойчивы к механическим воздействиям. I.4. НЕДОСТАТКИ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП 1. Главный недостаток ­ это цена. Стоимость одного люмена светодиодных ламп в 50 – 100 раз больше чем у ламп накаливания. 2.   Неприятный   спектр   свечения.   По   свидетельству   психологов,   более   80% респондентов отрицательно отзываются о применении таких светильников дома. Тут сложно советовать ­ каждый выбирает на свой вкус и цвет. II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ  II.1. ЭКСПЕРИМЕНТ: ВЫЧИСЛЕНИЕ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЛАМП С  ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРЕНИЙ ТОКА НАГРУЗКИ И НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ С помощью цифрового мультиметра (прибора для измерения характеристик  тока), подключенного последовательно в цепь каждой лампы, произведем измерение потребляемого тока, а затем рассчитаем их потребление. Результаты измерений Лампа накаливания 75 Вт Светодиодная лампа 9 Вт Ток потребления, А 0,29 0,031 Теперь рассчитаем потребление ламп по формуле:    Pрасч=Uсети*Iизм 220*0,29=63,8 Ватт 220*0,031=6,8 Ватт II.2. СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ И  АЛЬТЕРНАТИВНОЙ СВЕТОДИОДНОЙ Название Накаливания 75 Вт Светодиодная 9 Вт Освещенн ость, лм 780 800 Потребле ние, Вт/ч 63,8 6,8 Срок  службы, ч 1000 24000 Стоимость , руб 8­30 200­550 II.3. РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЛАМП В ШКОЛЬНОМ УЛИЧНОМ ОСВЕЩЕНИИ Для расчетов будем использовать охранное освещение школы. Как видно по плану школы, в освещении используются 9 ламп накаливания по 75 Вт.  В среднем в году ночных (рабочих для лампы) 8 часов в сутки. Получаем, что в год лампа светит 365*8=2920 часов. 1. Срок службы лампы накаливания составляет 1000 часов, поэтому:          2920/1000 3 лампы в год                   3*12=36 рублей потратим на лампы.  ≈ За это время она потребляет электричества:                                                      2920*0,0638=186,3 кВт/ч Что при переводе в рубли (1,4 р за кВт/ч) составляет:                                    186,3*1.4=260,8 рублей  В итоге получаем, что содержание лампы накаливания за год составит:  260,8+36=296,8 рублей  В нашем случае за 9 ламп:                                                                                           296,8*9=2671,2 рублей 2. За год светодиодная лампа «съест»:                                                                            2920*0,0068=19,9 кВт/ч                                            19,9*1,4=27,9 рублей Итого получаем, в первый год затраты использования светодиодной лампы составляют: 400+27,9=427,9 рублей              За 9 ламп:             427,9*9=3851,1 рублей Больше чем за лампы накаливания, но так как светодиодная лампа имеет больший срок   службы,   в   последующие   года   нужно   будет   оплачивать   только   стоимость потребленного ею электричества. За полтора года обслуживание ламп накаливаний обойдется в: 2671,2*1,5=4006,8 рублей А светодиодной в: 3851,1+(27,9*0,5*9)=3975,7 рублей Таким   образом,   за   полтора   года   светодиодные   лампы   окупятся   и   будут приносить только выгоду. Каждый год они будут экономить: 2671,2­(27,9*9)=2420 рублей А самое главное в год они будут сохранять 1498 кВт электричества!!! Для наглядности в таблице показаны сэкономленные средства и  электроэнергия без учета стоимости ламп:  Светодиодная лампа Лампа накаливания Разница Потребленное  электричество за год Стоимость обслуживания  за год 1676,7 кВт/ч 178,7 кВт/ч  1498 кВт/ч 2671,2 рублей 251,1 рублей 2420  рублей ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполнив   данную   исследовательскую   работу,   мы   сначала   изучили   строение этих ламп и изучили преимущества и недостатки. Мы узнали, что светодиодные лампы   выделяют   меньше   тепла,   чем   лампы   накаливания.   Лампы   накаливания нагреваются   примерно   в   4   раза   больше,   чем   светодиодные   лампы.   Покупая обычные лампочки, мы можем рассчитывать на их работу в течение пяти­шести месяцев. Как правило, после этого срока нить накаливания просто перегорает. В современных   осветительных   приборах   нить   накаливания   просто   отсутствует. Соответственно,   и   ломаться   там   нечему.   Качественная   лампочка   такого   типа может работать до 40 000 часов, что равняется примерно 13 годам эксплуатации в достаточно интенсивном режиме. Выполняя   практическую   часть   работы,   мы   провели   эксперименты   по вычислению   потребления   электроэнергии,   рассчитали   материальные   затраты   на замену обычных ламп на светодиодные. Мы пришли к выводу, что  потребление электроэнергии  светодиодной  лампой   меньше,  чем  потребление  электроэнергии лампой   накаливания.   Таким   образом,  светодиодные  лампы   действительно экономят электроэнергию. А расчеты финансовых затрат на замену ламп убедили нас,   что  светодиодные  лампы,   несмотря   на   высокую   стоимость,   действительно экономичнее и очень быстро окупаются. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ­РЕСУРСОВ 1. Мякишев Г. Я. , Соцкий Н.Н.  Физика. 10­11 класс: Учебник для  общеобразовательных учереждений  (Профильный уровень). 2. Пёрышкин А.В. Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных  учреждений. М: Дрофа, 2010. 3. Строение светодиодной лампы.    http   ://   www   .  kit   ­  e  .  ru   /  articles  /  led   /2004_5_12.    php      http://zametkielectrika.ru/ustrojstvo­svetodiodnoj­lampy­razbiraem­lampu­ ekf/ 1. Магазин светодиодного освещения «ЛедУрал».    http://led­ural.ru/ 4. Преимущества и недостатки светодиодных ламп.    http://www.ledbay.ru/page/dostoinstva­i­nedostatki­svetodiodov