Исследовательская работа "Энергоэффективное уличное освещение"

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

Саратовской области

“Поволжский колледж технологий и менеджмента

Исследовательская работа

Энергоэффективное уличное освещение.

Автор:

Колесников Алексей Викторович

г. Балаково

2016 год

Содержание

Введение                                                                                                                    3

Дуговые ртутные лампы (ДРЛ)                                                                           3

Дуговые натриевые трубчатые лампы (ДНаТ)                                                3

Светодиодные лампы (Led)                                                                                  3

Параметры рассматриваемых типов ламп                                                       4

Сравнительная характеристика ламп                                                               4

Эффективность использования данных типов светильников                      5

Основные преимущества светодиодных светильников                                 7

Недостатки светодиодных светильников                                                          9

Уличное освещение представленное нашим колледжем                                9

Заключение                                                                                                              10

Список литературы                                                                                                10

Введение.

Основная цель нашего проекта исследовать рациональность использования актуальных на сегодняшний день способов освещение дорог общего пользования, дворов, прилегающих территорий, дорог транспортного сообщения и их конкурентоспособность. ведь всем хочется ходить по светлым улицам смотреть на яркие и насыщенные цвета, а наше освещение оставляет желать лучшего. На улице не то что не видно другие цвета кроме оранжевого но и тяжело вообще  что либо рассмотреть хотя лампы висят и вроде бы даже работают В ходе проделанной работы мы выявим все плюсы и минусы светильников уличного освещения, экономические аспекты и вопросы, проблемы связанные с монтажом и обслуживанием и предложим вам, наши разработки которые решают большинство из выявленных проблем.

Дуговые ртутные лампы (ДРЛ).

Наиболее распространенный в настоящее время тип ламп используемых в уличном и промышленном освещении. Разработанные ранее других ламп и наименее трудоемкие и дешевые в изготовлении лампы ДРЛ широко применяются для освещения внутри и вне помещений. Лампы ДРЛ обладают намного меньшей светоотдачей по сравнению с лампами ДНаТ и светодиодами. Эргономические показатели освещения ламп ДРЛ (коэффициент пульсаций светового потока, соответствие спектра излучения солнечному спектру) гораздо лучше, чем у ламп ДНаТ и намного хуже чем у светодиодов.

Дуговые натриевые трубчатые лампы (ДНаТ)

В настоящее время широко применяются для освещения улиц, транспортных магистралей, общественных сооружений и т.д. Лампы ДНаТ обладают самой высокой светоотдачей, но в связи с очень высоким коэффициентом пульсаций и большим отклонением спектра излучения лампы в область красного цвета, что нарушает цветопередачу объектов, не рекомендуется применять лампы ДНаТ для освещения внутри производственных и жилых помещений. Большая зависимость светоотдачи и напряжения зажигания у ламп ДНаТ от состава и давления внутреннего газа, от проходящего через лампу тока и от температуры горелки предъявляют очень высокие требования к качеству изготовления и условиям эксплуатации ламп ДНаТ. Поэтому для эффективной работы ламп ДНаТ, в отличии от ламп ДРЛ и светодиодов, необходимо обеспечивать "комфортные" условия эксплуатации - высокую стабильность напряжения питания, температуру окружающей среды от -20оС до +30оС. Отклонение от "комфортных" условий эксплуатации приводит к резкому сокращению срока службы ламп и уменьшению светоотдачи. На срок службы ламп ДНаТ также влияет качество используемых импульсных запускающих устройств. В настоящее время существует широко распространенное заблуждение, что замена ламп ДРЛ на более эффективные лампы ДНаТ приводит к улучшению качества освещения и экономии электроэнергии. При этом не учитывается, что у ламп ДНаТ смещен спектр светового потока, что ухудшает общую картину видимости освещаемых объектов и большие пусковые токи.

Светодиодные лампы (СД или LED)

Сами по себе светодиоды используются достаточно давно, в основном для индикации. Прорыв в области светодиодов, произошедший несколько лет назад был связан в первую очередь с получением новых полупроводниковых материалов, повышающих яркость светодиодов более чем в 20 раз. В отличие от других технологий у светодиодов очень высокое КПД – не менее 90%(95-98%). В большинстве существующих технологий, в отличии от светодиодов, присутствует разогрев какого-либо тела или области, на что требуется приличные затраты энергии.  Благодаря высокому КПД светодиодная технология обеспечивает низкое энергопотребление и малое тепловыделение. Помимо этого, в силу самой природы получения излучения, светодиоды обладают совокупностью характеристик недостижимых для других технологий: механическая и температурная устойчивость, устойчивость к перепадам напряжения, продолжительный срок службы, отличная контрастность, цветопередача, экологичность, отсутствие мерцания и ровный свет. Это и есть качество современной технологии.

Параметры рассматриваемых типов ламп:

	Тип	Номинальная мощность, Вт	Потребляемая активная мощность, Вт	Ресурс источника света, часов	Световой поток, Лм
ДРЛ	ДРЛ-125	125	140	до 12000	6000
	ДРЛ-250	250	280	до 12000	13000
	ДРЛ-400	400	450	до 15000	24000
ДНаТ	ДНаТ-100	100	115	до 6000	9400
	ДНаТ-150	150	170	до 10000	14000
	ДНаТ-250	250	290	до 15000	24000
	ДНаТ-400	400	460	до 15000	47500
LED	Аналог  ДРЛ-125	27	30	до 100000	6900*
	Аналог ДНаТ-150	56	60	до 100000	12880

*Светодиодный аналог лампы ДРЛ-125 может удивить световым потоком в 6900 люмен и энергопотреблением в 30 ватт против 140 ватт лампы ДРЛ-125. К тому же в светодиодных светильниках разработанных в нашем колледже используется нововведение, которое увеличивает эффективность светильника без увеличения стоимости. У некоторых производителей есть более технологичное исполнение данной идеи, но в их случае это сказывается на стоимости.

Сравнительная характеристика:

Тип лампы	ДРЛ-125	ДНаТ-150	LED светильник
Световой поток, Лм	6000	14000	6900
Потребление, Вт	280	170	30
Срок службы, часов	12тыс.	10тыс.	до 100тыс.
Контрастность и цветопередача	слабая	очень слабая	отличная
Механическая прочность	средняя	средняя	отличная
Температурная устойчивость	слабая	очень слабая	отличная
Устойчивость к перепадам	слабая	слабая	отличная
Время выхода в рабочий режим	10-15 минут	10-15 минут	мгновенно
Нагревается	сильно	сильно	слабо
Экологическая безопасность	лампа содержит до 100мг паров ртути	лампа содержит натриево-ртутную амальгаму и ксенон	абсолютно безвредна

Примечание: Под температурной устойчивостью подразумевается то, насколько зависит работа лампы и срок её службы от критических значений температуры. Например, известно, что лампа ДНаТ крайне чувствительна к отклонению от "комфортных" значений температуры. Такие отклонения отрицательно влияют на светоотдачу и приводят к резкому снижению срока службы.

Эффективность использования данных типов светильников.

ДРЛ

Наиболее простая и доступная по цене технология. Низкие начальные затраты и средняя цветопередача при условии отсутствия жёстких требований к освещению оправдывают её использование (рис1а).

ДНаТ

Лучшая светоотдача среди газоразрядных ламп – единственное серьёзное преимущество перед ДРЛ, но очень слабый показатель цветопередачи и большая чувствительность к температуре ставит под сомнение целесообразность замены. ДНаТ не рекомендуется использовать для внутреннего освещения, а в некоторых странах даже существует запрет. Освещение дорог, особенно скоростных, также не рекомендуется. При освещении любых других зон использование ламп ДНаТ можно считать оправданным по сравнению с ДРЛ (Рис1б).

LED

 Может показаться невероятным, но у светодиодных ламп нет технических недостатков. Они лучше во всём. В дополнение к сказанному выше можно добавить, что светодиодным лампам не требуются пусковые токи, а соответственно требуется меньшее сечение кабеля. Единственный минус это то, что в цене они прилично впереди. Насколько же оправдано их использование? С учётом всех факторов, касающихся издержек эксплуатации ламп ДРЛ или ДНаТ, срок окупаемости светодиодных аналогов начинается с 3-х лет. То есть – 3 года (или более) светодиодная лампа окупает себя, а во все последующие года значительно снижают затраты. При этом светодиод всё время выдает самый качественный свет по сравнению с другими технологиями(Рис1в).

Рис1а                                                   Рис1б                                                 Рис1в

Важно обозначить ещё один момент, о котором не сказано выше. У ламп ДРЛ и ДНаТ присутствует эффект старения. Достоверно известно, что после 400 часов работы падение светового потока у ламп ДРЛ составляет более 20%, а к концу срока жизни более 50%. Большую часть срока службы лампа излучает всего 50-60% от номинального светового потока. Это хорошо видно по кривой спада светового потока. С ДНаТ ситуация ещё печальней, ввиду их меньшей температурной устойчивости. У светодиодов подобного нет. Светодиоды в течение всего своего срока службы сохраняют свои параметры на первоначальном уровне. Лишь к концу срока может наблюдаться незначительное падение (рис2). Вот здесь-то и выявляется интересный и важный момент. Получается, что если проводить замеры параметров, например, каждый месяц в течение всего срока службы, а затем вычислить среднее, то оно будет составлять порядка (!)60% от номинала. Заявленные значения параметров касаются лишь начального периода эксплуатации и будут постоянно падать по кривой с самого начала. Это не что иное как издержки существующих технологий. Можно вышесказанное интерпретировать следующим образом. За заявленные характеристики (в первую очередь имеется ввиду световой поток) вы платите больше или платите 100% за характеристики в реальности на ~40% ниже.

Рис2

Эффективность светового потока.

Основные преимущества светодиодных светильников:

1. При оптимальной схемотехнике источников питания и применении качественных компонентов, средний срок службы светодиодных систем освещения может быть доведен до 100 тысяч часов - 25 лет эксплуатации при 10 часовой работе в сутки (в настоящее время производители заявляют срок службы 50 тысяч часов), что в 50-200 раз больше по сравнению с массовыми лампами накаливания и в 6-15 раз больше, чем у большинства обычных ламп. С течением времени такие его основные характеристики как световой поток и сила света практически не претерпевают изменений. Все элементы светильника долговечны, в отличии от ламп, где применяются нити накала. Для сравнения галогенная лампа работает 1000 часов, металлогалогенная лампа 8 – 15 тысяч часов.

2. Светодиоды экономично используют энергию по сравнению с предшествующими поколениями электрических источников света — дуговых, накальных и газоразрядных. Так, световая отдача светодиодных систем уличного освещения с резонансным источником питания достигает 120 люменов на ватт, что сравнимо с отдачей натриевых газоразрядных ламп — 120-150 люмен на ватт. Люминесцентные лампы имеют световую отдачу 60-100 люмен на ватт, а лампы накаливания — 10-24 люмен на ватт (включая галогенные).

3. Отсутствие ртутных паров в светодиодах (в отличие от газоразрядных люминесцентных ламп и других приборов), что исключает отравление ртутью при переработке и при эксплуатации. Светодиодные светильники являются экологически чистыми и не требуют специальных условий по обслуживанию и утилизации.

4. Отсутствие нити накала, в светодиодных светильниках, даёт высокую виброустойчивость, а поликарбонатное стекло выдерживает значительные ударные нагрузки что в совокупности с корпусом, изготовленным из алюминиевого сплава, позволяет добиться степени защиты IP67.

5. Отсутствие необходимости замены светодиодов и увеличение срока эксплуатации между обслуживаниями светильников которое подразумевает удаление загрязнения с излучающей поверхности, в течение всего срока эксплуатации позволяет значительно экономить на обслуживающих мероприятиях и персонале.

 Рис3

6. В светодиодных светильниках достигается высокая контрастность, что обеспечивает лучшую четкость освещаемых объектов (зданий, строений, подъездов, дворов, рекламных щитов, складов, охраняемых территорий и парков) и цветопередачу (индекс цветопередачи 75-85). Сегодня для освещения улиц и дорог наиболее широко используются лампы ДРЛ, ДНаТ, ДНаЗ. Лампы ДНаТ, ДНаЗ имеют узкий спектр излучения, который не обеспечивает приемлемой цветопередачи (рис3). Их свет имеет характерную желтую окраску, что является существенным недостатком ламп этого класса.

7. В светодиодных прожекторах и других изделиях КПД использования светового потока равен ста процентам (в отличии от устарелых стандартных уличных светильников, где такой коэффициент равен всего 60-75 процентам). Другим важным преимуществом использования светодиодной продукции высочайшего качества – это возможность направлять световой поток, за счет специальной оптики.

8. Полное отсутствие вредного эффекта низкочастотных пульсаций в качественных светодиодных светильниках, позволяет исключить усталость глаз при работе в таком освещении, что немаловажно для таких сфер как школьное и вузовское обучение, проектная и офисная деятельность.

9. Отсутствует опасность перегрузки городских и муниципальных электросетей в момент включения светодиодных светильников (потребляемый ток равен 0,6-0,9А, в отличии от традиционных светильников с газоразрядной лампой, где потребляемый ток около 2,2А, а пусковой ток 4,5А).

10. Мгновенное зажигание при подаче питающего напряжения и стабильная работоспособность при низкой температуре (в том числе в условиях крайнего севера). Экономически неэффективные и устарелые, но используемые в настоящее время светильники с лампами ДРЛ и ДНаТ для уличного освещения крайне неудовлетворительно запускаются при низких температурах от – 20°С. В отличие от них, светодиоды прекрасно зажигаются и работают при минусовых температурах до -60°С.

11. На практике зафиксировано значительное снижение светового потока газоразрядных ламп в процессе их эксплуатации. Снижение светового потока ламп ДНаТ, ДНаЗ, ДРЛ достигает 40-60% от показателей новой лампы. Причем наибольшая скорость спада светового потока наблюдается в первые 100-200 часов эксплуатации лампы, т.е. в течении первых месяцев работы. Одной из основных причин, влияющих на спад светового потока газоразрядных ламп и уменьшения их срока службы, является момент включения или кратковременного обесточивания, потому, что при подаче напряжения возникает моментальный рост пускового тока, разрушающий элементы конструкции лампы. С каждым включением лампы наблюдается ее ускоренное старение, объясняемое усиленным распылением материала электродов большими пусковыми токами, возникающими при установлении дугового разряда, что связано с переходными процессами, происходящими в горелке лампы. В результате перечисленных факторов электрические параметры лампы выходят за пределы возможностей пускорегулирующей аппаратуры, и лампа перестает работать. Заметьте, что нагрузка на кабели при этом повышается более чем в два раза.

12. При оценке экономии электроэнергии необходимо учитывать потери на проводах линий питания светильников. Потребляемый лампами ДРЛ и ДНаТ ток составляет 2.1-2.2А, потребляемый ток светодиодного светильника составляет 0.7-1.1А в зависимости от режима работы. Таким образом, достигается экономия на техническом обслуживании и при монтаже светодиодных уличных систем, где используется кабель меньшего сечения (рис4).

Рис4

Недостатки светодиодных светильников:

1. Основной недостаток — высокая цена. Отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов больше, чем у традиционных ламп. Впрочем, данный недостаток компенсируется быстрой окупаемостью светодиодных ламп за счет серьезного снижения потребляемой электроэнергии и долгого срока службы (отсутствуют расходы по замене и обслуживанию ламп), а так же за счет отсутствия затрат на специальную утилизацию.

2. Низкая предельная температура: мощные осветительные светодиоды требуют внешний радиатор для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (физические размеры светодиодов малы при высокой мощности рассеиваемого излучения) и не могут без радиатора рассеять столько тепла, сколько выделяют (несмотря даже на более высокий КПД, чем у ламп накаливания). Радиатор не только удорожает конструкцию, но и в некоторых случаях с трудом может быть вписан в формат бытовых осветительных приборов.

3. Для питания светодиодов от сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока, тоже с радиатором, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты.

4. Дешёвые массовые LED имеют светоотдачу всего около 60 лм/Вт.

5. Несмотря на лёгкость регулировки яркости светодиода изменением питающего его постоянного напряжения, большинство ламп, предназначенных для сети 220-240В, не приспособлены для питания их через диммер. Причина в конструкции встроенного в лампу вторичного источника питания. Однако существуют специальные, регулируемые диммером, светодиодные лампы

Уличное освещение представленное нашим колледжом и его рациональность.

Из приведенного выше стало понятно, что наиболее выгодно и удобно  использовать светодиодное освещение, но и оно тоже бывает различным. Один из представленных заменителей ламп ДНаТ и ДРЛ это лампы сделанные на светодиодах и на первый взгляд кажется рациональным и выгодным замена именно ламп  ДРЛ на лампы на светодиодах с одинаковым цоколем. Но в итоге мы получаем светильник  с лампой на светодиодах которая находится на месте старых ламп без отражательной поверхности  со старым стеклом, которое со временем тускнеет и уменьшает световой поток, да и сама лампа сконструирована не рационально вместо направленного света в одном направление она рассеивает свет во все направления. Так же в ней находятся сглаживающие конденсаторы у которых ограничен срок службы и этой лампе необходим драйвер, это адаптер который служит ограничителем по току, без него диоды сгорят или просто не включатся. В итоге получаем выгоду по сравнению с лампами ДРЛ или ДНаТ, но не намного Представленные нами светильники уличного освещения исправляют все эти погрешности  нашими универсальными разработками.

Одним из улучшений является отсутствие блока питания в котором приличное количество радиоэлементов в том числе конденсаторы, и замена его на один выпрямительный мост это удешевляет производство и увеличивает долговечность конструкции на несколько порядков.

Следующее улучшение это то что мы убрали драйвер, а вместо него ограничение по току делаем с помощью дешевых  но долговечных резисторов что тоже увеличивает срок службы и уменьшает стоимость потому что драйвер это схема с большим количеством радиоэлементов куда входят и микросхемы и конденсаторы и другие элементы.

Также в наших конструкциях изменен корпус вместо рассеивания в разные стороны мы направляем светодиоды в нужном направлении и освещаем нужную часть улицы, это помогает уменьшить мощность и соответственно количество светодиодов, а значит и стоимость. Также в конструкции светильников мы изменили рассеиватель, который в обычных светильниках поглощает часть светового потока, вернее сказать мы его просто убрали, а вместо него поставили мощную линзу, которая не только увеличивает освещенность, но и рассевает свет в нужном нам направлении в зависимости от конструкции линзы. Также за счет разработанного нами более эффективной системой охлаждения у нашей конструкции уменьшен размер, и вес что упрощает установку и подключение.

Заключение.

Из приведенного доклада мы можем сделать предварительный вывод что освещение может быть дешевым, с высокой светоотдачей, долговечным, экологически чистым, с одинаковой светоотдачей на всем сроке службы, безопасным, без мерцания и шума, без толстых кабелей и перегрузок во время включения, без больших поломок и соответственно ремонтов которые станут очень редки, и одно из самых главных с высокой цветопередачей. Пора прекращать смотреть на мир в желтых или красных оттенках, а видеть всю его красоту во всех цветах даже ночью.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.           СОВРЕМЕННЫЙ ИНСТРУМЕНТАРИЙ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА И СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ. Пантелеев А.В. Учебный эксперимент в образовании. 2012. № 3. С. 78-81.

2.           СОВРЕМЕННАЯ НОМЕНКЛАТУРА СВЕТИЛЬНИКОВ, РЕКОМЕНДУЕМАЯ ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ТОРГОВЛИ. Ефременко О.А., Амелькина С.А. 2015. С. 101-105.

3.           СОВРЕМЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ ШКОЛ. Федюкина Г. Энергетический вестник. 2012. № 14. С. 62-68.

4.           СОВРЕМЕННОЕ СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ: ПРЕИМУЩЕСТВА, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. Байнева И.И., Байнев В.В. Научные исследования и разработки. Экономика фирмы. 2016. Т. 5. № 1. С. 13-16.

5.           СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ. Бозриков А.В., Алексеев В.С., Антонов И.Н. Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. Т. 1. № 3 (54). С. 80-84.