Исследовательская работа по физике: «Проблема энергосбережения в нашей стране и способы их решения, посредством рационального подбора электрических ламп»

МБОУ «Кардымовская средняя школа имени Героя Советского Союза С. Н. Решетова»

Исследовательская работа на тему:

«Проблема энергосбережения в нашей стране и способы их решения, посредством рационального подбора электрических ламп»

Выполнил: Ёлкин Юрий Алексеевич

Учитель: Хмызова Надежда Ивановна

Кардымово

2016

План работы.

1. Введение и цель работы………………………….… 3- 5

2.Устройство трёх видов ламп и история создания ... 6-13

2.1 Лампа накаливания……………………….……… 6-8

2.2 Люминесцентная лампа ………….……………..8-10

2.3 Светодиодная лампа ……………………………10-13

4. Сравнительный анализ различных видов ламп..… 14-17

5. Проведение эксперимента и проведение расчётов 18-21

6. Вывод …………………………………………….... 21-22

7. Список используемой литературы …………….……..23

Введение.

Энергосбережение – одна из приоритетных задач в мире, а следовательно и в нашей стране. Это связано с дефицитом основных энергоресурсов, возрастающей стоимостью их добычи, а также с глобальными экологическими проблемами.

С каждым годом все больше увеличиваются потребности человечества в электроэнергии. Оказывается, что 40% потребляемой в России энергии можно "получить" за счет простой экономии! То есть у нас ежегодно тратится впустую почти половина всей производимой энергии! Наша страна – одна из самых энергорасточительных в мире. По данным статистики, средняя российская семья тратит на оплату жилищно-коммунальных услуг около 8-10% своих доходов. Немалую долю этих затрат составляет оплата за электроэнергию. А за счет увеличения количества используемых нами бытовых приборов, изрядное количество электроэнергии расходуется на освещение.

Наиболее привычный для нас способ освещения своих домов – это использование ламп накаливания. Они широко распространены и очень дешевы. Вот только часто перегорают, особенно при скачках напряжения в сети. На смену ламп накаливания пришли люминесцентные лампы. Эти лампы часто используют для освещения учреждений: школ, институтов, офисов. Но для освещения жилых помещений эти лампы использовать не очень удобно. Поэтому для освещения квартир выпускаются компактные люминесцентные лампы (энергосберегающие лампы), потребляющие гораздо меньше электроэнергии.

Поэтому я решил проверить действительно ли, энергосберегающие лампы потребляют меньше электроэнергии, чем лампы накаливания и какая при этом может получиться экономия семейного бюджета и энергоресурсов. 

Для достижения данной цели я поставил следующие задачи:

1. Изучить характеристики энергосберегающих ламп.

2. Изучить строение энергосберегающих ламп и строение ламп накаливания.

3. Выявить преимущества и недостатки энергосберегающих ламп

Проблема разумного использования энергии является одной из наиболее острых проблем человечества. Современная экономика основана на использовании энергетических ресурсов, запасы которых истощаются и не возобновляются. В современном мире с каждым днем увеличивается потребность в электроэнергии, поэтому  спрос на энергосберегающие  технологии очень высок.

23 ноября 2009 года Д. А. Медведев подписал принятый ранее Госдумой закон «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; далее может быть введен запрет на электролампы мощностью 75 Вт и более, а потом — ламп мощностью 25 Вт и более. В связи с уже вступившим запретом на продажу ламп мощностью более 100 Вт, некоторые производители уже начали выпускать лампы мощностью 95 Вт.

Поэтому я выдвинул гипотезу: энергосберегающие лампы энергетически эффективнее и обладают большей светоотдачей, чем лампы накаливания при одинаковой мощности. Они позволят сэкономить значительную часть электроэнергии для нашей страны и значительные бюджетные средства каждой семьи.

Немного из истории создания каждой лампы:

Лампа накаливания.

Лампа накаливания — электрический источник света, в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает видимый свет.

Первым создателем лампы был

российский ученый, член

Русского технического

общества  Александр

Николаевич Лодыгин. Принцип

накаливания был известен еще

до Лодыгина – в этом смысле он

ничего нового не открыл. Но

несомненная заслуга Александра

Николаевича состоит в том, что

он первым сумел привлечь

внимание широкой аудитории к

построению источников света.

Основным элементом первой лампы был тонкий угольный стержень, нагреваемый током до температуры, при температуре, при которой он начинался светиться. Стержень размещался под стеклянным колпаком

В 1877 г. о работах Лодыгина узнал американский изобретатель Т.А. Эдисон. Он решил усовершенствовать новый источник света. С помощью сконструированного им насоса, Эдисон добился того, что давление в лампе стало в миллион раз меньше атмосферного. Этим он замедлил процесс горения угольного стержня.

Теперь разберем конструкцию лампы накаливания:

1 — колба; 2 — полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 — тело накала; 4, 5 — электроды (токовые вводы); 6 — крючки-держатели тела накала; 7 — ножка лампы; 8 — внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 — корпус цоколя; 10 — изолятор цоколя (стекло); 11 — контакт донышка цоколя.

Люминесцентная лампа.

Люминесцентная лампа — газоразрядный источник света, в котором электрический разряд в парах ртути создаёт ультрафиолетовое излучение, которое преобразуется в видимый свет с помощью люминофора — например, смеси галофосфата кальция с другими элементами.

Немного об истории создания люминесцентных ламп.

История электрического освещения началась в 1870 году с изобретения лампы накаливания.

Первым предком лампы дневного света была лампа Генриха Гейсслера, который в 1856 году получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида.

В 1893 году на всемирной выставке в Чикаго Томас Эдисон показал люминесцентное свечение.

Схема работы
люминесцентной лампы.

Рассматривая конструкцию этой лампы, можно заметить компонент, который является определённым минусом – это ртуть, что требует особой осторожности при эксплуатации и особую осторожность при утилизации. В нашей стране пока довольно слабо развита дифференцированная утилизация, что может быть привести к повышению содержания ртути в окружающей среде.

Светодиодная лампа.

Светодиодные лампы или светодиодные светильники в качестве источника света используют светодиоды, применяются для бытового, промышленного и уличного освещения. Светодиодная лампа является одним из самых экологически чистых источников света! Принцип свечения светодиодов позволяет применять в производстве и работе самой лампы безопасные компоненты. Светодиодные лампы не используют веществ, содержащих ртуть, поэтому они не представляют опасности в случае выхода из строя или разрушения. Различают законченные устройства — светильники и элементы для светильников — сменные лампы.

История создания светодиодных ламп.

Первый инфракрасный диод был запатентован в 1961 году — американскими исследователями Гари Питманом и Робертом Бьярдом. Но использовать такие диоды для освещения помещений было невозможно, т.к. инфракрасные лучи находятся за пределами спектра, видимого человеческим глазом.

Создателем полноценного светодиода стал Ник Холоньяк-младший, создавший в 1962 году полноценный LED-светодиод, излучающий видимый красный свет. Именно Холоньяк считается «отцом» светодиодных ламп. Через 10 лет его ученик Джордж Крафорд создал первый светодиод, излучающий желтый свет, а также десятикратно усилил яркость красных и оранжево-красных светодиодов.

Конструкция светодиодной лампы:

Изучив, историю создания ламп и конструкцию каждой из них, я составил таблицу характеристики ламп:

ТАБЛИЦА СООТВЕТСТВИЯ МОЩНОСТЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЛАМП.

Проанализировав данные в таблице, я решил рассчитать оплату за электроэнергию для каждой из ламп:

Расчет оплаты для ламп накаливания:

1. 60*3=180 (Вт)-в среднем нагорает за 3 часа в сутки одной лампочкой

2. 180*30=5400 (Вт)- затраты энергии за месяц на одну лампу

3. 5,4*3,5=18,9 (руб)- оплата за 1 месяц с использованием одной лампочки

4. 18,9*13=245,7 (руб)- оплата за 1 месяц с использованием 13 ламп накаливания

5. 245,7*12=2948,7 (руб)- оплата за год с использованием 13 ламп накаливания

6. 5400*13*12=842400 (Вт)- затраты энергии за год с использованием 13 ламп накаливания

Расчет оплаты для люминесцентных ламп:

1. 13*3=39 (Вт)- в среднем нагорает за 3 часа в сутки

2. 39*30=1170 (Вт)- затраты энергии за месяц на одну лампу

3. 1,17*3,5=4,095 (руб)- оплата за 1 месяц с использованием одной лампочки

4. 4,095*13=53,2 (руб)- оплата за 1 месяц с использованием 13 люминесцентных ламп

5. 53,2*12=638,4 (руб)- оплата за год с использованием 13 люминесцентных ламп

6. 2948,7-638,4=2310,3 (руб)- экономия за год перед лампами накаливания

7. 1170*13*12=182520 (Вт)- нагорает за год с использованием 13 люминесцентных ламп

8. 842400-182520=659880 (Вт)- экономия электрической энергии люминесцентными лампами

Расчет оплаты для светодиодных ламп:

1. 8*3=24 (Вт)- в среднем нагорает за 3 часа в сутки

2. 24*30=720 (Вт)- затраты энергии за месяц на одну лампу

3. 0,72*3,5=2,52 (руб)- оплата за 1 месяц с использованием одной лампочки

4. 2,52*13=32,8 (руб)- оплата за 1 месяц с использованием 13 светодиодных ламп

5. 32,8*12=393,6 (руб)- оплата за год с использованием 13 светодиодных ламп

6. 2948,7-393,6=2555,1 (руб)- экономия за год по сравнению с

лампами накаливания

1. 638,4-393,6=244,8 (руб)- экономия за год по сравнению с люминесцентными лампами

2. 720*13*12=112320 (Вт)- затраты энергии за год с использованием 13 светодиодных ламп

3. 842400-112320=730080 (Вт)- экономия за год по сравнению лампами накаливания

4. 182520-112320=70200 (Вт)- экономия за год по сравнению с люминесцентными лампами

Для наглядности полученных результатов, я составил диаграмму оплаты за электроэнергию:

В течение месяца я проводил замер расходуемой электроэнергии для каждой из типов ламп по 10 дней ламп накаливания, по 10 дней люминесцентных ламп и по 10 дней светодиодных ламп. В итоге за день с 13 лампами накаливания нагорало в среднем по 7 кВт*ч, а за 10 дней получается 7*10=70 кВт*ч, расчет проведен с входящим электрооборудованием (2 холодильника, микроволновка, стиральная машинка, 3 телевизора и плюс мелкая бытовая техника), затем я провел эксперимент для люминесцентных ламп, в день с этими лампами нагорало в среднем по 5 кВт*ч, а за 10 дней получилось 5*10=50 кВт*ч, экономия составляет 70-50= 20 кВт*ч. Ну и наконец я провел эксперимент с светодиодными лампами, в день в среднем нагорало по 4 кВт*ч, за 10 дней нагорело 4*10=40 кВт*ч, экономия по сравнению с лампами накаливания составила 70-40=30 кВт*ч, а по сравнению с люминесцентными лампами экономия составила 40-30=10 кВт*ч

Вывод эксперимента: можно смело сказать, что светодиодные лампы расходуют намного меньше электрической энергии, чем лампы накаливания и даже меньше, чем люминесцентные лампы.

Теперь я составил таблицу средней цены за каждую лампу:

Для наглядности, как и в прошлом случае, я составил диаграмму средней цены, мощности и светового потока ламп:

Да, светодиодные лампы намного дороже люминесцентных ламп и ламп накаливания, но окупаемость хорошей светодиодной лампы стоимостью 350 рублей составит около года, при этом срок службы этой лампы больше 10 лет, то есть после 1 года, семья, проживающая в квартире будет нести прибыль, поэтому светодиодные лампы действительно экономят финансы.

А теперь выясним плюсы и минусы каждой из ламп.

Сравнительный анализ лампы накаливания.

Плюсы лампы накаливания:

1. Дешевизна. Ну просто до безобразия дешевы в производстве и розничной продаже.
2. Нечувствительны к температурам, могут гореть и при -30С.
3. Нечувствительны к пониженному напряжению, могут применяться с в светильниках с регулятором, очень удобно.
4. Экологически чисты, не требуют специальной утилизации.

Минусы лампы накаливания:

1. Низкий срок службы - 1000 часов, но некоторые служат дольше.
2. Энергоемки и неэкономичны.
3. Сильно нагреваются (хотя это можно считать плюсом в ряде случаев.)
4. Низкая надежность при частых включениях. Компенсируется дешевизной.

Сравнительный анализ люминесцентных ламп.

Плюсы люминесцентных ламп:

1. Долгий срок службы 4000-8000 часов, хотя реальные испытания дают меньшие цифры, особенно это касается заявленных сроков службы: лампы работают в 2-3 раза меньше.
2. Низкое потребление электроэнергии, примерно в 4-5 раз меньше при той же светоотдаче. Средняя сумма ежемесячного счета на электроэнергию уменьшается примерно на 40%.
3. Несильно нагреваются.

Минусы люминесцентных ламп:

1. Высокая стоимость, примерно в 20 раз больше лампы накаливания.
2. В трубке содержатся пары ртути, поэтому разбивать такую лампу категорически не рекомендуется. Требует специальной, платной утилизации. Экологически опасны.
3. Низкая надёжность при частых включениях, интервал между выключением и новым включением - не меньше двух минут.
4. Люминесцентные лампы не приспособлены к работе при температуре воздуха ниже 5°С: во-первых, "поджечь" ртутный разряд в минусовой температуре гораздо сложнее, а во-вторых, пары ртути будут излучать меньше ультрафиолета, и, значит, лампа станет гореть более тускло. При отрицательных температурах вообще не горят.
5. Низкая надёжность при работе с пониженным или повышенным напряжением питающей сети. Если напряжение меньше стандартных 220В на 10% - такие лампы вообще не запустятся. Что делать тем, кто использует дизель-генераторы – непонятно.
6. Ультрафиолетовое излучение энергосберегающих ламп может вызвать раздражение кожи, если находиться к источнику света слишком близко (ближе 30 см), предупреждают эксперты. Наибольшей опасности подвержены люди с чрезмерной чувствительностью кожи, а также пациенты с различными дерматологическими заболеваниями.

Сравнительный анализ светодиодных ламп.

Плюсы светодиодных ламп:

1. Большой срок службы, в различных источниках указывается разный - от полутора до 10 лет (или от 10 000 до 100 000 часов); 
   2. Низкое энергопотребление, величина его так же различная и зависит от типа лампы; 
   3.Устойчивость к вибрации и механическим ударам; 
   4. Безотказная работа в различных климатических условиях при температуре от - 60 до +60 С; 
   5. Светодиодные лампы изготавливаются на любое напряжение, соответственно, нет необходимости установки дополнительных балластных резисторов; 
   6. Светодиод излучает в узкой части спектра, обладает "чистым цветом", что важно в световом дизайне. 

2. Минусы светодиодных ламп:

1. Самый главный недостаток - высокая цена; 
2. Ограничена сфера применения, т.е. в некоторых случаях лампы накаливания нельзя заменить светодиодными. 

Вывод.

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 энергетических ресурсов. Экономия ресурсов потребовала создание инновационных решений в области сбережения энергии. Так и появились энергосберегающие лампы.

Используя различную литературу по физике, я изучил устройство и  принцип действия ламп накаливания и энергосберегающих ламп. Выяснил  достоинства и недостатки ламп накаливания и энергосберегающих ламп. Я пришел к выводу, что потребление электроэнергии энергосберегающей лампой значительно меньше, чем потребление электроэнергии лампой накаливания. Таким образом, энергосберегающие лампы действительно экономят электроэнергию. Так же энергосберегающие, особенно светодиодные лампы являются востребованными, так как не только экономят электроэнергию, но и менее агрессивны по отношению к органам зрения. Энергосберегающие лампы, несмотря на высокую стоимость, действительно экономичнее, но их стоимость окупается при их эксплуатации в течение двух лет при постоянном использовании энергосберегающих ламп появляется экономия в семейном бюджете за счёт продолжительного срока службы ламп.

1. С точки зрения экономии электроэнергии и денежных средств энергосберегающие лампы более предпочтительны.

2. Однако, полностью перейти на новый вид ламп мешает психологический фактор «привычности» и осторожного отношения ко всему новому.

3. Но делая выводы из всего написанного, надо найти «золотую середину»:

- постепенный переход на новый вид ламп

- учитывая минусы энергосберегающих ламп, использовать параллельно с ними и лампы накаливания. Это приведёт к существенной экономии семейного бюджета и электроэнергии для нашей страны в период всемирного энергетического дефицита. Но надо понять, что настоящая прибыль для семейного бюджета начнётся примерно через год после покупки светодиодных ламп, а экономия электроэнергии для нашей страны начнётся с первой минуты использования энергосберегающих ламп.

Давайте будем бережливыми людьми!

Список используемой литературы.

https://ru.wikipedia.org/wiki/

http://www.svetozone.ru/

http://verdit.ru/finansing/4149-energy-conservation-problems-and-their-solutions.html

http://www.advicehome.ru/page9.php

Учебник физики 10-11 класс, Г.Я Мякишев, Б.Б Буховцев, В.М. Чаругин.