Экспериментальная проверка и экономический расчет энергосбережения за счет применения компактных энергосберегающих ламп

Ключевые слова:энергосбережение, экономия, кризис, затраты, Россия.

В 21 веке мы уже не представляем свою жизнь без источников искусственного освещения. Тенденция к энергосбережению, которая так характерна была для стран Европы, теперь приобрела популярность и в России: экономический кризис и его последствия отразились на всеобщей экономии средств и переходе к использованию энергосберегающих технологий. С начала 2011 года в России прекращено производство ламп накаливания мощностью 100 Вт и выше. Экономия электроэнергии — главная характеристика, которая отличает энергосберегающие лампы от традиционных ламп накаливания. Однако, часто можно услышать, что переход на энергосберегающие лампы на самом деле выгоден только производителям этих ламп, так как они намного дороже, а служат столько же, сколько и лампы накаливания, да еще и ухудшают качество электроэнергии за счет сдвига фаз. Именно это утверждение необходимо было подтвердить или опровергнуть в ходе проведения работы, в которой мы сделаем попытку экспериментальным путём сравнить энергосберегающие лампы и обычные лампы накаливания, эквивалентные по мощности, по двум признакам: мощности и уровня освещённости, который они дают.

«Лампа накаливания — электрический источник света, в котором тело накала (тугоплавкий проводник в виде нити или спирали) нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока. Спираль защищена прозрачной колбой, в которой создан вакуум или находится инертный газ. В результате нагрева тело накала дает широкий спектр света, в том числе и видимый свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама. В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока. Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 5770 К (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение» [1]. Основная доля излучения приходится на инфракрасное излучение, лишь ее малая часть лежит в области видимого света. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 C) и, очень редко, осмий (3045 C). В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине тело накала помещено в колбу, заполненную инертным газом (азотом, аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому» [1].

«Энергосберегающие лампы — это электрические лампы, состоящие из полой стеклянной трубки, внутри которой находятся пары ртути, а на стенках этой трубки распылено специальное вещество, которое светится под воздействием электромагнитного излучения от паров ртути. Хотя энергосберегающие лампы могут основываться и на других физических принципах, например, светодиодные или люминесцентные лампы линейного типа с пониженным содержанием ртути и меньшим диаметром трубки, в массовом сознании это понятие отождествляется именно с компактными люминесцентными (ртутными) лампами» [1].

Для измерения освещенности используется люксметр. «Принцип действия люксметров основан на явлении фотоэлектрического эффекта (превращения световой энергии в электрическую), которое имеет место при попадании света на поверхность фотоэлемента, включенного в замкнутую цепь с электроизмерительным прибором» [2]. Большинство люксметров состоит из двух частей: первичного преобразователя электромагнитного излучения (фотометрической головки) и электронного блока, который трансформирует информацию первичного преобразователя в конечный результат. Реальная точность выпускаемых в России и в Украине современных люксметров составляет 5–12 %.

Итак, цель нашего эксперимент состоит в том, чтобы сравнить энергосберегающие лампы и обычные лампы накаливания по нескольким критериям: мощности ламп и уровню освещённости чтобы выявить целесообразность использования тех или иных ламп. Как известно производитель обещает нам такой же уровень освещения при мощности энергосберегающей лампы в 5 раз меньше, чем у лампы накаливания и при этом экономию средств в долгосрочной перспективу. Поэтому мы постараемся доказать или опровергнуть факты об энергосберегающих лампах. Эксперимент состоит из четырех частей. Также для проведения эксперимента была собрана установка, состоящая из патрона для ламп, вольтметра, амперметра и выключателя.

Рис. 1. Установка для эксперимента

-          В первой части эксперимента с помощью прибора ЛАТР мы поднимали напряжение, смотрели при каком напряжении лампы начинают потреблять электроэнергию и при каком напряжении загораются, затем мы поднимали напряжение до 220 В и смотрели на амперметре силу тока. После этого мы высчитывали мощность лампы по формуле P=UI.

-          Во второй части эксперимента мы сравнивали уровень освещённости ламп накаливания и энергосберегающих ламп.

-          В третьей части эксперимента мы проводили измерения освещенности.

Таблица 1

Результаты измерений

Производители энергосберегающих ртутных ламп заявляют, что для освещения достаточно ртутной лампы мощностью в пять раз меньше [3], чем лампа накаливания. (т. е. вместо 100 Вт лампы накаливания можно использовать ртутную лампу мощностью 20 Вт). Результаты эксперимента показали, что фактическая мощность и ламп накаливания, и энергосберегающих ламп несколько ниже, чем заявлено на упаковке лампочки. Несмотря на это, мощность энергосберегающих ламп действительно меньше ламп накаливания в 5 раз, а в некоторых случаях ещё меньше при одинаковом уровне освещенности, что безусловно лучше для потребителя и его кармана. Более того, лампы холодного света (цветовой температуры 4200 К) показывают существенно более высокий уровень освещенности. Если считать, что энергосберегающая лампа действительно будет работать 8000 часов, а обычная лампа накаливания 1000 часов, как указанно в их паспортах, то можно произвести следующие расчёты. Для того, чтобы светить 8000 часов нужно 8 ламп накаливания против 1 энергосберегающей лампы. Если учесть, что в среднем стоимость энергосберегающей лампы 150 рублей, прибавим количество часов работы, то получаем следующее: 150 + 8000часов*0,02кВт*2 рубля/кВтч = 470 рублей. Та же процедура и по лампе накаливания: 20 рублей*8штук + 8000*0,1кВт*2 рубля/кВтч = 1760 рублей. Таким образом: при использовании энергосберегающих ламп мы затратим в 3 раза меньше денежных средств, чем при использовании обычных ламп накаливания.

Циклы розжига энергосберегающей лампы оказывают большее влияние на ее срок службы, чем время непрерывного свечения, поэтому не рекомендуется использовать энергосберегающие лампы там, где они часто включаются и выключаются. «Часто» в данном случае — это цикл короче, чем 15 минут, что указывается в параметрах лампы. Учитывая, что экономия мощности приблизительно пятикратная, это ведет к необходимости пересмотра некоторых привычек, которые вели к экономии при использовании ламп накаливания, но которые ведут к износу энергосберегающих ламп. Речь идет о выключении света при выходе из комнаты на несколько минут и о включении света на несколько минут. С точки зрения экономии, например, в туалете, энергосберегающую лампу лучше всегда держать включенной: так она отработает свои гарантированные 8000 часов, потребив 20 х 8 000 = 16 кВтч на 32 рубля + 150 рублей за лампу, 182 рубля. 100-ваттная лампа накаливания при эксплуатации в 1/10 этого периода потребит 80 кВт на 160 рублей + 20 рублей за лампу, почти те же 180 рублей. Отсюда вывод, что энергосберегающие лампы невыгодно использовать там, где они горят менее 1/10 времени.

Учитывая, что энергосберегающая лампа работает по принципу газового разряда, представляет интерес проверить сдвиг фаз между напряжением и током, который теоретически должен быть емкостным. Нами было проведено исследование сдвига фаз на двулучевом осциллографе в лаборатории филиала СФУ в г. Железногорск. Полученные осциллограммы приведены на рисунках А, В. С. Напряжение снималось с ЛАТРа, сила тока — с шунта с сопротивлением 160 Ом. Полученный сдвиг фаз составляет π/20 и носит ёмкостной характер, т. е. ток идёт впереди напряжения.

Мощность отдельной лампы невелика, а лампы включены параллельно, поэтому сдвиг фаз мал и его не пытаются восполнить. Сдвиг фазы на π/20 приводит к потере порядка 0,2 % мощности. В условиях домашнего использования экономия электроэнергии за счет перехода от ламп накаливания к компактным энергосберегающим лампам намного больше. Согласно данным в Таблице 1, замена 10 ламп накаливания на энергосберегающий дает экономию около 700 Вт. Типичный уровень потребления редко превышает 10кВт, 0,2 % от которых составляет 20 Вт. Отсюда получаем, что экономия от замены 10 ламп будет потеряна, если потребляемая мощность составляет 350 кВт. Наши подсчеты носят приблизительный характер, но и они показывают, что в домашних условиях такая ситуация невозможна. При использовании в промышленности с оборудованием большой мощности, особенно с мощными асинхронными двигателями, чувствительными к сдвигу фазы, возникает необходимость использовать контроллеры коэффициента мощности.

Рис. 2. Сила тока и напряжение перед зажиганием лампы при напряжении 140В

Рис. 3. Сила тока и напряжение в рабочем режиме

Таблица 2

Энергосберегающая лампа (11Вт)

Рис. 4. Сила тока и мощность новой энергосберегающей лампы 11 Вт

Таблица 3

Энергосберегающая лампа (15Вт) — 1 год использования. (При понижении напряжения погасла при 65В)

Из графиков и приведенных таблиц видно, что после года использования лампа, в рабочем режиме, не выходит на заявленную производителем мощность. Этот износ электронных компонентов лампы является одной из причин постепенного снижения светимости компактных люминесцентных ламп. Другой причиной является постепенное опадения люминофора. В обоих случаях видно, что после года использования, вольтамперная характеристика и зависимость мощности от напряжением изменяются скачком в районе 120 В. Это делает практически невозможным использование регуляторов освещенности, предназначенных для ламп накаливания. На отрезке от 140 до 220 В мощностные характеристики энергосберегающей лампы напоминают таковые лампы накаливания, то есть, линейную зависимость мощности от напряжения.

Рис. 5. Сила тока и мощность новой энергосберегающей лампы 14 Вт, 1 год работы

Итак, после проведения эксперимента и проведённого анализа получившихся результатов мы убедились, что при сравнении уровня освещённости и мощности ламп, безусловно, выигрывают энергосберегающие лампы. При покупке энергосберегающих ламп, потребитель выигрывает по всем показателям, и помогает экономить энергию, которую теперь можно расходовать на другие нужды. Таким образом, выводы, к которым мы пришли, следующие:

1.                  Фактическое потребление ламп обоих типов ниже паспортных данных, но дающие одинаковый уровень освещенности энергосберегающие лампы действительно потребляют мощность в пять раз меньше.

2.                  Потери в связи со сдвигом фаз между напряжением и силой тока в домашних условиях незначительны и ими можно пренебречь.

3.                  При идеальных условиях эксплуатации (исключающих частые циклы включения-выключения) энергосберегающие лампы экономически эффективнее ламп накаливания примерно в 3 раза, но достижение этого значения требует изменения некоторых привычек домашнего обихода: отказ от выключателей плавного включения и привычки выключать свет выходя из комнаты.

Литература:

1.                  Лампа накаливания — от идеи к воплощению [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://varton.ru/ru/articles/states/lampa-nakalivaniya-ot-idei-k-voploshcheniyu

2.                  Люксметры и измерение освещенности. Принцип действия и применение люскметров [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ecounit.com.ua/artikle_103.html

3.                  Компактная люминесцентная лампа [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://xn--80aafanc4a9azacif0d.xn--p1ai/kll.html