Инновации в науке и образовании: пути развития

Заявка на участие в V Международной научно-практической конференции

«Инновации в науке и образовании: пути развития»

Соловьева Сталина Калеевна

Преподаватель специальных дисциплин

БУ СПО ХМАО-Югры «Лангепасский профессиональный колледж»

г. Лангепас, Ханты-Мансийский автономный округ – Югра

ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ  РАЗВИТИЯ  СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП

Основная цель – сосредоточить внимание на достижениях настоящего времени и перспективах светотехники, опираясь на фундамент классических понятий и знаний. Осознание путей энергоэффективного развития светотехники.

Глобализация в светотехнической промышленности – явление  21 века.  Она означает охват международного рынка крупнейшими фирмами –производителями, диктующими свою волю в светотехнике.

Это обеспечивается наличием новых технологий, позволяющих производить новые качественные товары так быстро, как это требует мировой рынок.  Тесть новые технологии должны способствовать производить  лучшие товары со скоростью спроса рынка.

Явление глобализации это:

Развитие цифровой связи, что позволило глобальный обмен информацией в режиме реального времени.

Политические события  (падение «железного занавеса»), которые привели к появлению близких привлекательных площадей с дешёвой рабочей силой.

Мировой рынок капитала с мобильными финансовыми инструментами.

Глобализация предусматривает производство качественной продукции при малых затратах и сбыт её по доступным ценам большими объёмами. Это возможно, в основном, для крупных объединений, так как расходы на разработку новой продукции дадут положительный результат только при сбыте её больших количествах.

Консолидация -  это объединение, сплочение отдельных лиц, групп, организаций для усиления борьбы за общие цели.

ОСВЕЩЕНИЕ,  ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТРУДА,  ЗДОРОВЬЕ

В настоящее время особое внимание уделяется проблемам:  « Свет и здоровье»,  Свет и производительность труда»,  « Зрительное восприятие».

Прогресс в области полупроводниковых источников света наметил новое направление – применение светодиодов  (СД) для освещения и сигнализации.

На основании исследований можно сделать следующие практические выводы:

Увеличение уровня освещённости от требуемого минимального  300 лк до 500 лк  приводит к повышению производительности труда не менее, чем на 11%.  При этом, энергопотребление  и затраты на обслуживание осветительной установки современного уровня будут ниже.

Возраст работников производства стал критерием зрительной работоспособности, а значит уровня и качества освещения.

При правильном проектировании окружающая производственная среда может оказывать стимулирующее воздействие на работающих в ней людей Это выражается большим коэффициентом полезного действия и меньшим количеством ошибок, благоприятным психологическим настроением, позволяющим сохранить бодрость более длительное время.

Вклад естественного освещения очень существенен не только для повышения уровня освещённости, но и для улучшения настроения бодрствования.

Плохое качество освещения приводит к усталости глаз, переутомлению, а иногда к головным болям.  Головные боли могут быть вызваны пульсацией светового потока ламп, что является следствием применения магнитных  пуско-регулирующих устройств, работающих на частоте 50 Гц.

В некоторых случаях «мерцание « вызывает стресс. Такого эффекта не создают электронные пуско-регулирующие устройства.

При изменении освещённости в диапазоне от  300 до 2000 лк линейную зависимость имеют  следующие показатели:  зрительная работоспособность  (рост),  количество брака  (снижение),  число несчастных случаев (меньше).

При достаточном количестве света для выполнения зрительной работы освещение должно удовлетворять трём основным критериям:

·     Равномерность освещения и распределение яркости в рабочей зоне помещения,

·     Требуемый цвет освещения и хорошая цветопередача,

·     Отсутствие пульсаций и блесткости осветительной установки

Осветительная установка  (ОУ) – это электроустановка, предназначенная для искусственного освещения объектов,  состоящая из источника света (ИС), осветительной, пуско-регулирующей  аппаратуры  (ПРА)  и устройств электроснабжения  (ЭСН).

ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Материаловедение и тело накала

Материаловедение – это одна из основных областей перспективного развития светотехники.

Повышение светоотдачи и долговечности  источников света являются основными проблемами современности.

Главным показателем эффективности источников света являются светоотдача и срок службы.

Современные технологии открыли возможности управления свойствами материалов в желательном направлении для пользователя.

«Порошковая» технология позволила получить вольфрамовую проволоку прессованием,  спеканием и другими способами деформации, что открыло дорогу дальнейшего развития источников света

«Нанотехнологии» открывают широкие возможности в области энергосберегающих материалов электронной техники и светотехники.

Пути повышения светоотдачи:

1.       Исследование и применение карбидных тел накала,

2.       Совершенствование структуры люминофора

Благодаря постоянному совершенствованию, усилиям металлургов и светотехников вольфрам превратился в настоящее время по свойствам в уникальный металл.

Практически нет другого металла, который не проявлял бы свойства ползучести при нагреве до температуры, близкой к температуре плавления.

Вольфрам — единственный из всех имеющихся металлов, у которого скорость испарения при постоянной фиксированной температуре не остает­ся постоянной, а замедляется с течением времени в 10⁴... 10⁶ раз.

Именно поэтому срок службы отдельных промышленных партий ламп достигает нескольких тысяч часов. Есть лампы-долгожители, имеющие срок службы в условиях бытового использования до 17·10³ часов.

Новый карбидный материал должен удовлетворять следующим требо­ваниям:

• плотность (без пор) и тугоплавкость, что определяет долговечностьтела накала,

• способность принимать форму спирали, т.к. спирализованные тела накала имеют меньшую склонность к потемнению колб (испарение атомов между вит­ками) и меньшие потери энергии (теплопроводность в газовой среде).

Плоские тела накала работают в лампе меньше по времени в тысячи раз, чем спирали, что объясняется «самозалечиванием» возникающих на по­верхности трещин в процессе переиспарения атомов между витками (эф­фект Иоффе).

•обладать структурой, близкой к монокристалльной, что обеспечитменьшую склонность к ползучести и провисанию (практика использованиявольфрамовых нитей).

Применение новых тел накала обещает огромную экономию энергии и средств.

Не следует прекращать совершенствовать технологию производства «вольфрамовых» ЛН.

Проблемы и перспективы применения светодиодов.

Пристальное внимание к СД и СД-изделиям в освещении вызвано на­растающей ролью энергосбережения.

Страны, организовавшие массовое производство СД, сейчас в выигры­ше. В мире есть уже лабораторные образцы со световой отдачей 150 лм/Вт (это вдвое больше, чем у промышленных образцов), в некоторых странах в 2005 г. разработаны и утверждены «Государственные программы развития СД и СД-изделий» (США, КНР и др.).

В России маяками производства СД являются «Светлана-Опто-электроника», «Оптэл», «КаверЛайт», «Протон», но без собственной госу­дарственной программы.

В США производят СД с техническими данными: белые СД; 1,2 Вт при токе 350 А; светоотдача до 107 лм/Вт при Т_ц = 5000...10000 К. Например, замена уличных СП с НЛВД на СП с СД в одном городе составляет 40 %, качество освещения лучше.

В России только «Светлана-Оптоэлектроника» владеет всеми этапами производства СД (потребность 5... 14 подобных компаний). Отечественные белые СД пригодны для ЖКХ в местах общего пользования. Саранский за­вод «Электровыпрямитель» готов выпускать СП для ЖКХ серийно: потреб­ляемая мощность — 9 Вт, поток — 700 лм, цена — 600...650 руб., окупае­мость — 4 года.

В Республике Корея представлены СД-модули белого света прямого включения в сеть переменного тока 110 или 220 (230) В без традиционных вспомогательных устройств. Недостатки: низкая светоотдача — от 29 до 35 лм/Вт, большая пульсация светового потока — с частотой 100 или 120 Гц, высокая стоимость.

В Германии выпускают малогабаритные СД, но с большими радиатора­ми для охлаждения, стабилизированными источниками напряжения в соче­тании с резисторными балластами для питания, светоотдачей 100 ^лм/в_т-

В Австрии выпускают белые СД и изделия с меньшим разбросом по Т_ц(3000 К, 4200 К, 5000 К), светоотдачей 90 лм/Вт (к 2011 г. — 120 лм/Вт). Тенденция использования СД в двух вариантах: имитация ЛН и в виде СД-модулей.

Выставка «Интерсвет-2007» в ЦВК «Экспоцентр» в г. Москве показала, что такой международный форум проводится у нас впервые и означает на­чало «эры СД» в светотехнической наук и технике России.

Цель форума — способствовать развитию освещения СД в России в свете решения этой проблемы в странах мира.

 Экология и энергосбережение в светотехнике

Европейская комиссия (ЕК) является ведущей в области нормирования экологически чистой и энергоэффективной светотехнической продукции.

Главная цель ЕК — это выполнение «Программы Европейского Союза (ЕС)» по защите окружающей среды от вредного влияния электротехниче­ской продукции до 2015 г.

Наглядное представление о направлениях деятельности ЕК, начиная с 2002 г., дает блок-схема (рис. ?).

Выделены три основных приоритетных направления:

•Климатическое. Оно состоит в уменьшении выбросов углекислого газа   (СО₂) на объектах электротехнической индустрии.

Планируется уменьшить выбросы СО₂ по сравнению с 1998 г. до 12 % в 2015 г., пересмотреть нормирование в светотехнике с целью увеличения энергоэффективности (15% всей мировой ЭЭ используется в светотехнике).

• Окружающая среда. Оно состоит в ограничении использования вред­ных веществ в светотехнической промышленности.

• Утилизация. Оно состоит в обеспечении безопасности при переработкеотходов и ответственности изготовителей продукции.

Перспективы развития светотехнической промышленности сведены к трем ключевым направлениям:

• Разработка и производство нового, высокоэффективного источникасвета — светодиода (СД).

• Оптимизация структур световодов.

• Создание высокотехнологичных материалов для поверхностей.

Все программы энергосбережения в настоящее время в светотехнике основаны на производстве КЛЛ (компактных люминесцентных ламп) и ис­пользовании их вместо ЛН, электронных ПРА — для разрядных ламп (РЛ) и переходе на использование тонких ЛЛ типа Т5.

У нас в стране за 5 лет (с 2001 по 2006 г.) потребление ЭЭ возросло в 2,5 раза, пересмотрена программа ввода новых генерирующих мощностей с 23 до 41 тыс. МВт.

Энергообеспечение для дальнейшего развития является определяющим.

Для сравнения, только в 2006 г. в КНР введено 103 тыс. МВт.

Чем больше энерговооруженность, тем больше загрязняется окружаю­щая среда.

Истина в разумном сочетании новых мощностей и снижении потребления ЭЭ за счет эффективного и экономного использования электроприемников (в том числе ОУ).  

Для сравнения, на создание 1 кВт новых генерирующих мощностей требуется от 1000 до 3000 условных ед., а на экономию 1 кВт мощности ОУ –200 - 250 условных ед.

Запрет применения ИС со световой отдачей ниже 20 лм/Вт (это ЛН,КПД 5 - 8 %) и использование КЛЛ во всех странах мира снизит потребление ЭЭ на величину 5 ежегодным потребностям Австралии.

Одна из проблем общества — это преодоление общей опасности эколо­гической катастрофы. Развитие экономики на базе «грязных» технологий приведет к чрезмерным затратам на ликвидацию последствий разрушения биосферы.

В России сейчас наблюдается ухудшение демографических показателей, так, например, средняя продолжительность жизни японцев — 81 год, росси­ян — 60 лет.

Основной загрязнитель окружающей среды в России — это предпри­ятия ТЭК (тепло-энергетического комплекса):

-   48 % выбросов вредных веществ,

-   27 % загрязненных стоков,

-   30 % твердых отходов,

-   70 % объема парниковых газов (по СНГ),

-   72 % выделение оксидов азота (по СНГ).

Вклад предприятий электроэнергетики около 6٠10⁶ т в год выбросов вредных веществ.

Следовательно, радикальное снижение загрязнения — это уменьшение энергопроизводства, что не приемлемо для общества.

Экологического и экономического эффекта без ущемления интересов общества можно достичь внедрением повсеместного энергосбережения. Эффективное использование энергии должно стимулироваться на всех уровнях хозяйствования и законодательства.

Например, в планах РАО ЕЭС России приоритетным было наращивание энергомощностей (АО «Томскэнерго»), а в Западных странах поощряются любые мероприятия по снижению производства ЭЭ.

Потребление ЭЭ ОУ в жилом секторе по России составляет 24 % (25,9 млрд. кВт-ч) от общих расходов на освещение.

Если заменить ЛН на КЛЛ, то возможно снижение потребления ЭЭ в 4 раза (экономия составит 19,4 млрд. кВт-ч). Эта цифра, для сравнения, соиз­мерима с годовой выработкой ЭЭ Саяно-Шушенской ГЭС или потреблени­ем ЭЭ Томской и Омской областями, вместе взятыми.

Более дальняя перспектива принадлежит светодиодам (СД), например, применение СД (С = 150 лм/Вт) в общем освещении позволит снизить долю потребления ЭЭ в ОУ в 10 раз.

Стратегическая программа России предлагает:

• Сократить производство и применение ЛН, малоэффективных ДРЛ и ЭмПРА.

Об экономической целесообразности замены ламп ДРЛ в светиль­никах наружного освещения (НО) на ДНаМ-Т.

В настоящее время натриевые лампы высокого давления в матирован­ной эллиптической колбе предназначены для замены ламп ДРЛ в сущест­вующих светильниках.

Сравнительные варианты приведенных годовых затрат рассмотрены для ОУ в Таблице 2. Варианты  осветительной установки  ОУ:

-    с лампами ДРЛ по 250 и 400 Вт,

-    с лампами ДНаМ-T по 210 и 340 Вт,

-    с лампами ДНаТ по 150 и 250 Вт.

Методика расчетов

  Эффективность замены (∆С, руб./год) определяется как разница при­веденных затрат двух вариантов ОУ  НО:

∆С = C₁ – С₂ или ∆С = С₁ - С₃

где С₁ С₂, С₃ — годовые затраты для каждого варианта ОУ, руб./год.

٠ Годовые затраты для каждого варианта установки (С, руб./год) опре­деляются по формуле:

С = С₁+ ∆К,

где С₁— приведенные годовые эксплуатационные затраты, руб./год;

      ∆К — приведенные капитальные затраты на 1 год эксплуатации, руб./год.

С₁ = С_эл+ С_л,

где С_эл — стоимость электроэнергии, руб./год;

С_л — стоимость замены ламп, руб./год.

С_эл=  К_сети٠К_ПРА٠Т_р.год٠Р_л٠К_эл

где К_сети — коэффициент, учитывающий потери в сети, на основании опыта эксплуатации принимается К_сети = 1,084;

К_ПРА — коэффициент, учитываю­щий потери в пускорегулирующей  аппаратуре; что составляет 0,2%, (согласно ПТЭЭП)

Т_р.год — число часов работы ОУ в год, принимается  Т_р.год = 4000 час;

К_эл — тариф, принимается К_эл = 2,3 руб./Квт٠ч;  

С_л= Т_р.год٠ (Ц_л+ С_сзл) / Т_с.с.

где Т_с.с. — срок службы лампы, час;

Ц_л — цена лампы, руб.;

С_сзл — стоимость замены лампы, принимается С_сзл = 192,72 руб. (при работе 2 электромонтёров,  третьего и четвёртого разрядов, продолжительностью в 30 мин.,  работа на высоте,  согласно  ППРОСПЭ ).

Таблица 1

٠Приведенные капитальные затраты на год эксплуатации определяются по формуле:

∆К = ( Ц_св+ С_сзс) / Т_св

где Ц_св — цена светильника, руб.;

С_сзс — стоимость замены светильника, принимается С_сзс = 385,44 руб.;

Т_св — срок службы светильника, год.

С_сзс — стоимость замены светильника, принимается С_сзс =  385,44руб. (при работе 2 электромонтёров,  третьего и четвёртого разрядов, продолжительностью в 1 час., работа на высоте,  согласно  ППРОСПЭ ).

ДРЛ-250.

·        С_эл — стоимость электроэнергии, руб./год;

С_эл=  К_сети٠К_ПРА٠Т_р.год٠Р_л٠К_эл

где

К_сети — коэффициент, учитывающий потери в сети, на основании опыта эксплуатации принимается  К_сети = 1,084;

К_ПРА — коэффициент, учитываю­щий потери в пускорегулирующей  аппаратуре; что составляет 0,2%, (согласно ПТЭЭП)   К_ПРА = 1,002

Т_р.год — число часов работы ОУ в год, принимается  Т_р.год = 4000 час;

Р_л -  мощность лампы  Р_л = 250 Вт

К_эл — тариф, принимается К_эл = 2,3 руб./Квт٠ч;  

С_эл= 1,084 ٠1,002 ٠4000٠250 ٠2,3 = 2498,19 руб./год

·        С_л — стоимость замены ламп, руб./год.

С_л= Т_р.год٠ (Ц_л+ С_сзл) / Т_с.с.

где

Ц_л — цена лампы, руб.;

С_сзл — стоимость замены лампы,  С_сзл =  192,72руб.

Т_с.с. — срок службы лампы, час;Т_с.с.=12000 час

С_л= 4000٠ (110+192,72)/12000=100,91 руб./год.

·        С₁— приведенные годовые эксплуатационные затраты, руб./год;

С₁ = С_эл+ С_л,

С₁ = 2498,19 + 100,91 = 2599,1 руб./год.

·        Приведенные капитальные затраты на год эксплуатации определяются по формуле:

∆К = ( Ц_св+ С_сзс) / Т_св

∆К — приведенные капитальные затраты на 1 год эксплуатации, руб./год.

где Ц_св — цена светильника, руб.;   Ц_св = 3366,00 руб.

С_сзс — стоимость замены светильника, принимается С_сзс = 385,44 руб.;

Т_св — срок службы светильника, год.  Т_св= 8 лет

С_сзс — стоимость замены лампы, принимается С_сзс =  385,44руб. (при работе 2 электромонтёров,  третьего и четвёртого разрядов, продолжительностью в 1 час., работа на высоте,  согласно  ППРОСПЭ ).

∆К = (3366+385,44)/8 = 468,93 руб./год.

·        Годовые затраты для каждого варианта установки (С, руб./год) опре­деляются по формуле:

С = С₁+ ∆К,

С = 2599,1 + 468,93 = 3068,03 руб./год.

Результаты расчетов сведены в Таблицу 2

Таблица 2

·           При расчетах значения срока службы ламп приняты в соответствии с ТУ СПО «Светотехника».

Выводы

·           Как видно из полученных данных, прямая замена ламп ДРЛ лампами ДНаМ-Т нецелесообразна (допускается временно).

·           Для получения экономического эффекта следует заменять светильники с лампами ДРЛ светильниками с лампами ДНаТ.

Список  использованных источников

1.     Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. «Технология энергосбережения». Форум. М. 2012.

2.     Шеховцов В.П. «Электрическое и электромеханическое оборудование». Форум.  М. 2012.

3.     Шеховцов В.П. «Осветительные  установки промышленных и гражданских объектов» Форум. М. 2009.

4.     Щербаков Е.Ф., Александров Д.С., Дубов А.Л. «Электроснабжение и электропотребление на  предприятиях». Форум. М. 2012.