Исследовательская работа "Выгодно ли использовать светодиодные лампы?"

РАЙОННАЯ УЧЕБНО-ИСЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ  

«ЮНОСТЬ ПОМОРЬЯ»

Направление Экономика

Выгодно ли использовать светодиодные лампы?                                                                        

Исследовательская работа

Каменка, 2020

Оглавление

          Введение

         Одним из самых первых электрических источников света стала легендарная лампа накаливания. Ее патент был принят в 1879 году. С тех пор долгое время этот прибор применялся человеком во многих сферах деятельности. Однако сегодня лампы накаливания постепенно отходят в прошлое, так как они потребляют значительно больше электроэнергии. Их место заняли энергосберегающие и светодиодные лампочки. Последний тип выигрывает по всем показателям: минимальное энергопотребление, устойчивость к перепадам напряжения, долгая служба, безопасность и большая светоотдача.

          В современном мире мы не представляем свою жизнь без электроэнергии. Все бытовые приборы, использование интернета и компьютера требуют наличие электричества.

          В последнее время все чаще встает вопрос о бережном отношении к ресурсам, об их экономном использовании, поэтому мы решили проверить действительно ли, светодиодные лампы потребляют меньше электроэнергии, чем лампы накаливания.

          Цель работы: исследование рентабельности использования светодиодных ламп

         Задачи:

1. Изучить строение светодиодных ламп;
2. Выявить преимущества и недостатки светодиодных ламп;
3. Рассчитать, выгодно ли использовать светодиодные лампы при сегодняшних тарифах на электроэнергию.
4. Сравнить потребление электроэнергии светодиодной лампы и лампы накаливания по электросчетчику.

         Гипотеза: светодиодные лампы в своем использовании экономичнее, чем лампы накаливания.

         Объект исследования: электрические лампы

           Предмет исследования: светодиодные лампы

           Глава 1. Светодиодные лампы и лампы накаливания

           Характеристика светодиодных ламп

           Всем известные лампы накаливания давно изжили себя временем, хотя и до сих пор имеют большое количество приверженцев, благодаря своей дешевизне. Вслед за ними появлялись люминесцентные, галогенные, энергосберегающие лампы, главным критерием которых является низкое потребление электроэнергии. Светодиодные лампы, характеристики которых превзошли характеристики других источников света, становятся популярнее год от года. Учеными давно доказано, что светодиодные лампы абсолютно безопасны для здоровья, экономичны и долговечны в использовании.

            Так как светодиодная лампа относится к электрическим приборам, то основными характеристиками этих ламп является напряжение, мощность, световой поток.

• Мощность потребления

Величина энергопотребления, показывает на то, сколько электроэнергии потребляет светодиодная лампа за 1 час. Выражается в количестве Ватт. Чем меньше показатель мощности, указанный на упаковке, тем экономнее будет лампа.
Наиболее востребованы в наше время светодиодные лампы мощностью 5-13 Вт, что соответствует 40-100 ваттным лампам с нитью накала.

• Напряжение питания

Светодиодные лампы, в отличие от ламп накаливания, обладают таким параметром, как диапазон напряжения, то есть при скачках напряжения (U, В) в сети они будут светить одинаково без ущерба для своих нагревательных элементов. Другие виды ламп в таких случаях могут тускнеть или светить с «обжигающей» силой.

• Световой поток

Указывает количество света, измеряемого в люменах, которое выделяет лампа. Соответственно, чем выше цифры на упаковке лампы, тем ярче она будет светить.

• Тип цоколя

В зависимости от области применения (промышленной или домашней) лампы различаются на несколько видов цоколей. Самые распространенные – винтовые и штырьковые. Для домашнего и повсеместного использования выпускаются светодиодные лампы с цоколем Е (Е14, Е27, Е40); G (G4,G9,G5.3,GU10) и прочие.
Цоколи E заменяют собой лампы накаливания. Цоколи G и GU используются для замены галогенных и люминесцентных ламп.
Для промышленных областей характерны лампы с цоколями R (с утопленным контактом), софитными S, фокусирующими P, а также вообще безцокольные W.

• Яркость

Пожалуй, самое главное свойство светодиодных ламп. Яркое и сильное световое излучение вместе с низким энергопотреблением является неоспоримым преимуществом светодиодных ламп.

• Цвет
  Светодиодные лампы обладают широкой палитрой оттенков цветов, начиная от холодного белого света, переходя в нейтрально белый (дневной) и заканчивая теплым желтым. Цвет лапы (с технической стороны) выражается, как температура свечения и измеряется в Кельвинах (°К). Для дома подходят желтые оттенки, создающие атмосферу уюта, располагающиеся в диапазоне от 2 700 до 3 500 °К; для офисов – нейтральные белые, увеличивающие работоспособность сотрудников 3 500 – 5 000 °К; для освещения производственных или складских помещений подходят холодные оттенки цветов от 5 000 до 6 500 °К.
• Индекс цветопередачи

Определяет, насколько точно и реалистично источник света передает цвета окружающих предметов. Чем выше значение CRI, заявленное на упаковке, тем естественнее будет выглядеть все вокруг. Для жилых помещений следует выбирать лампы с CRI выше 80.

• Рассеивание света

Угол рассеивания света в стороны. Диоды призваны светить прямо с наименьшей потерей по сторонам. Поэтому заранее следует знать, где диоды будут использоваться. Например, если требуется локальное освещение какого-либо объекта, то выбирают лампу с минимальным углом рассеивания 30-40. Для больших площадей или уличного освещения предпочтительнее показатели 150-270 градусов.
При выборе лампы стоит обращать внимание на ее форму и количество диодов в ней.

• Уровень защиты

Индивидуальный показатель конкретной модели лампы от пыли, грязи и воды. Современные светодиодные источники освещения хорошо «подкованы» в этом плане.

• Работоспособность при перепадах температуры окружающей среды
  Уникальная полупроводниковая конструкция светодиодов увеличивает диапазон рабочих температур для них. Так, бесперебойное свечение светодиодов будет одинаково эффективно поддерживаться при различных температурах окружающей среды от -50 до +60 °С.
• Диммер
  Прибор, который регулирует мощность светодиодной лампы и, соответственно, яркость свечения. Выпускается в виде выключателя с вращающимся колесиком или в виде дистанционного пульта управления. Некоторые светодиодные ленты сразу идут в комплекте с диммером, для удобства регулировки.
• Гарантийный срок службы
  В зависимости от вида и назначения конкретной светодиодной лампы, производителем определяется ее гарантийный срок службы 10 000, 30 000, 50 000 тыс. часов, в течение которого, фирма может бесплатно заменить некачественную лампочку. Однако на деле, светодиодные лампы способны работать намного дольше.
• Класс экономичности

Самым высоким классом экономичности прибора некоторое время назад считался «А». Сегодня, светодиодные лампы вышли на уровень «А+» и «А++», то есть высокая эффективность работы с минимальным потреблением энергии.

           Строение светодиодной лампы

           Светодиодный источник света состоит из нескольких элементов, соединенных в одном корпусе. Это цоколь, драйвер, радиатор, светодиод и светорассеивающая колба [4].

        Цоколь – элемент, который вкручивается в патрон люстры или другого светильника. Чаще всего для бытового применения выпускают винтовой цоколь типа Е27 и Е14. Он изготовлен из латуни с никелевым антикоррозийным покрытием. Для других нужд выпускаются источники света со штырьковым цоколем.

       Драйвер – элемент, который стабилизирует поступающее напряжение, преобразуя переменный ток в постоянный. Также он обеспечивает питание светодиода. Драйвер состоит из микросхем, импульсного трансформатора, конденсаторов. В недорогих LED изделиях драйвер может отсутствовать. Вместо него применятся простой блок питания, не обеспечивающий стабилизации тока и напряжения. Также драйвер не устанавливают в миниатюрных лампочках из-за нехватки места внутри корпуса.

          Радиатор – элемент, который отводит тепло от светодиодов и обеспечивает для них оптимальный температурный режим работы. Обычно он составляет видимую часть корпуса осветительного прибора. Радиатор может изготавливаться из различных материалов: от дорогой керамики до дешевого пластика. Алюминиевые и композитные материалы занимают среднюю нишу: они достаточно бюджетны и качественно отводят тепло.

          Рассеиватель – прозрачный «колпак», который помогает распределять свет в пространстве. Изготавливается в виде полусферы для рассеивания пучков света под широким углом. В качестве материала применяют поликарбонат или пластик. Кроме этого рассеиватель предотвращает попадание внутрь корпуса пыли и влаги. Для смягчения резкости света и уменьшения раздражающего влияния на глаза этот элемент изнутри покрывают люминофором. При этом достигается цветовая температура, аналогичная естественному освещению.

           Светодиоды – главный рабочий элемент лампы. За счет работы диода и появляется свечение.

           Достоинства и недостатки светодиодных ламп

           В настоящее время большое значение придается экономичной и долговечной работе осветительных приборов. Поэтому на первый план выходят светильники, создающие яркое освещение с выделением минимального количества тепла и небольшим энергопотреблением. Они обладают низкой чувствительностью к перепадам тока и напряжения, могут выдерживать большое количество включений и выключений. Всеми этими качествами в полной мере обладают светодиодные лампы.

            Среди недостатков светодиодных ламп, которые присущи всем типам изделий, стоит выделить следующие: деградация кристалла, в результате чего он постепенно, из года в год, теряет яркость; нейтральный и холодный белый свет подавляет выделение гормона мелатонина, который отвечает за регуляцию сна; применение понижающего преобразователя с функцией стабилизации тока, что ведёт к подорожанию изделия.

  Лампы накаливания

          Это знакомые всем с детства классические лампочки - колбы, выполняемые в форме груши, шара, свечи и т.п. Их существование с вольфрамовыми нитями насчитывает более полувека. Основным положительным показателям того, почему эти лампочки используют до сих пор, является их цена. Низкая цена – это главная причина, по которой лампы накаливания до сих пор массово покупают и используют, несмотря на то, что более 90% потребляемой электрической энергии они перерабатывают в тепло, то есть выделяют в атмосферу [1].

           Значительным недостатком ламп накаливания является малый срок службы – от 1000 до 3000 часов свечения. Особенно если учесть то, что они выпускаются исключительно для винтовых патронов. Все же в таких лампах есть и плюс: лампа без проблем работает напрямую от 220 V сети. В их применении так же необходимо соблюдать технику безопасности, учитывая, что такая лампа сильно нагревает воздух вокруг себя. Лампы накаливания нельзя применять в натяжных и некоторых подвесных потолках, а также для организации подсветки в мебели.

          Устройство лампочки накаливания у всех ее видов практически одинаковое: основная рабочая деталь – вольфрамовая спираль. Электроды поддерживают данную спираль и переводят ток. Стеклянная колба заполнена инертным газом. Именно она не дает сгореть нити и препятствует окислению металлических элементов. Цокольная часть лампы присутствует во всех видах, кроме автомобильных. По цоколю нарезана резьба, ее шаг может отличаться у каждого вида. Принцип работы лампы накаливания заключается в нагревании вещества, через который протекает ток. Веществом выступает сама нить накаливания, ее температура нарастает в момент замыкания электрической цепи. При этом возникает результат электромагнитного термического испускания. Видимым для глаза оно становится при прогревании более 570 градусов, при этом начинается красное свечение. Нить накаливания нагревается до 2800 градусов. В процессе прогревания вольфрам преобразовывается в оксид (белый поверхностный налет), для этого и происходит закачка в полость нейтральных газов. При монтаже лампочки (закручивания ее в патрон), замыкается цепь и происходит процесс разогрева нити, и происходит подача света [2].

          Если раньше вакуумом заполнялись все без исключения лампы накаливания, то сегодня такой подход применяют лишь для маломощных источников света. Более мощные устройства заполняются инертным газом.
         Глава 2. Эффективность использования светодиодных ламп

         Проведем эксперимент и сравним потребление электроэнергии лампой накаливая 60Вт и светодиодной лампой 7Вт.

         Приборы: Настольная лампа со светодиодной лампочкой, настольная лампа с лампочкой накаливания такой же мощности.

         Ход эксперимента:

1. Приготовить настольную лампу и 2 лампочки: светодиодную и накаливания к эксперименту. Выключить все электроприборы в квартире.
2. Записать показания энергии по электросчетчику (начальные показания) и включить одну из ламп.
3. В течение часа следить, чтобы не было изменений в работе настольной лампы. Через час выключить лампу и снова записать показания энергии по электросчетчику (конечные показания).
4. Выполнить пункты 2 и 3 для другой лампы. Не забывать следить, чтобы не было изменений в работе электроприбора.
5. Рассчитать стоимость электроэнергии, израсходованными лампами за один месяц (30 дней).

          Время работы каждой лампы – 1 час. Лампе накаливания мощностью 60 Вт соответствует светодиодная лампочка мощностью 7 Вт. Действующий тариф за 1 киловатт-час электроэнергии составляет: для физических лиц 3 рубля 57 копеек, для юридических лиц – 9 рублей 54 копеек.

          Расчет стоимости израсходованной электроэнергии за месяц для светодиодной лампы с учетом того, что ежедневно лампа горит в течение 1 часа:

Р1=22854,220 КВт

Р2=22854,227 КВт

t=1 час*30=30час        

Стоимость за месяц = ?

Стоимость = (Р2-Р1)*30час*цена за 1 КВт*час

Для физических лиц: Стоимость = (22854,227 КВт - 22854,220 КВт)*30ч*3,57 руб/КВт*час=0,75 руб.

Для юридических лиц: Стоимость = (22854,227 КВт - 22854,220 КВт)*30ч*9,54 руб/КВт*час=2,00 руб.

          Расчет стоимости израсходованной электроэнергии за месяц для  лампы накаливания с учетом того, что ежедневно лампа горит в течение 1 часа:

Р1=22854,230 КВт

Р2=22854,290 КВт

t=1 час*30=30час        

Стоимость за месяц = ?

Стоимость =(Р2-Р1)*30час*цена за 1 КВт*час

Для физических лиц: Стоимость = (22854,290 КВт - 22854,230 КВт)*30ч*3,57 руб/КВт*час=6,43 руб.

Для юридических лиц: Стоимость = (22854,290 КВт - 22854,230 КВт)*30ч*9,54 руб/КВт*час=17,17 руб.

        Результаты занесены в таблицу (Приложение 1).

Расчет процента экономии на электроэнергию за месяц (*100)% ≈88%. Результаты занесены в таблицу (Приложение 2).

Вывод: Потребление электроэнергии светодиодной лампой меньше, чем потребление электроэнергии лампой накаливания. При замене 9 ламп накаливания на 9 светодиодных с учетом того, что лампы будут гореть ежедневно по 10 часов, экономия электроэнергии за месяц составит 88% (Приложение 2).

        Следовательно, мы убедились в выгодности для семейного бюджета использования светодиодных ламп.

        На сегодня в п. Каменка Мезенского района уличное освещение заменено на светодиодное освещение на 30-40%, в с. Лешуконское — на 95%. В скором времени все уличные лампы в поселке планируют заменить на светодиодные.

        Экономия электроэнергии имеет большое значение. Простота и доступность электроэнергии породили у многих людей представление о неисчерпаемости наших энергетических ресурсов, притупили чувство необходимости ее экономии. Между тем, мы стоим на пороге энергетического и экологического кризиса. Поэтому внедрять практические меры энергоэффективности — задача сегодняшнего дня.

 Заключение

        Выполнив данную исследовательскую работу, мы сначала изучили строение тех и других ламп, изучили преимущества и недостатки ламп накаливания и светодиодных. Мы узнали, что светодиодные лампы выделяют меньше тепла, чем лампы накаливания. Покупая обычные лампочки, мы можем рассчитывать на их работу в течение пяти-шести 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 светодиодного типа может работать до 30 000 часов, что равняется примерно 3-4 годам эксплуатации в достаточно интенсивном режиме. И при свете светодиодной лампы работать лучше!

            Следовательно, основные достоинства светодиодных ламп: низкое энергопотребление, дополненное огромным сроком службы, колоссальной светоотдачей и безопасностью – это четыре неоспоримых плюса, благодаря которым лампы на основе светодиодов сегодня выходят в лидеры.

Список используемых источников

1. Физика. 8 кл. :учебник/А.В.Перышкин. – 4-е изд.-М.:Дрофа, 2016;
2. Всё, что вы не знали о первой лампе накаливания [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://1posvetu.ru/istochniki-sveta/lampa-nakalivaniya.html (Дата обращения: 10.10.20 г.)
3.   Выбрать – лампу накаливания или светодиодную? Интересные факты, которые изменят ваше мнение! [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/asutpp.ru/chto-vybrat—lampu-nakalivaniia-ili-svetodiodnuiu-interesnye-fakty-kotorye-izmeniat-vashe-mnenie-5eb589ac95fafa340932998a?utm_source=serphttps://zen.yandex.ru/media/asutpp.ru/chto-vybrat—lampu-nakalivaniia-ili-svetodiodnuiu-interesnye-fakty-kotorye-izmeniat-vashe-mnenie-5eb589ac95fafa340932998a?utm_source=serp (Дата обращения: 13.11.20 г.)
4. Как устроена светодиодная лампа [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://vamfaza.ru/kak-ustroena-svetodiodnaja-lampa/ (Дата обращения: 23.09.20 г.);
5. Важные технические характеристики и параметры светодиодных ламп [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ledjournal.info/spravochnik/harakteristiki-svetodiodnyh-lamp.html

 (Дата обращения: 20.09.20 г.).

Приложение 1. Стоимость израсходованной электроэнергии за месяц

Таблица 1

Приложение 2. Экономия денежных затрат при использовании светодиодных ламп для физических лиц

Таблица 2.