Направление «Энергетика»
Акулов В.Р.
«Казанский национальный исследовательский технологический университет
им. А.Н. Туполева – КАИ»
Нижнекамский филиал
Энергосберегающие технологии в системах освещения
На освещение в среднем расходуется в среднем 5 — 10 % общего потребления электроэнергии в зависимости от отрасли промышленности: в текстильной — до 30%, в полиграфической — до 18%; в электротехнической — до 15% в нефтехимической до 17%[1].
Основными направлениями экономии электроэнергии в осветительных установках и сетях являются следующие:
- применение наиболее экономичных типов источников света, светильников, систем комбинированного освещения, пускорегулирующей аппаратуры;
- рациональное размещение светильников;
- рациональное построение осветительных сетей;
- нормализация режимов напряжения в осветительных сетях; переход на питание светильников напряжением 380 В вместо 220 В:
- повышение коэффициента использования осветительных установок;
- применение рациональных режимов работы осветительных установок;
- рациональная эксплуатация осветительных сетей (периодическая чистка светильников, замена ламп, где это необходимо, и т.д.);
- совместное использование систем естественного и искусственного освещения.
В данной работе мною рассмотренавозможность продления срока службы люминесцентных ламп, которые являются одними из наиболее используемых в освещении производственных помещений с нормально средой.
Основной причиной выхода из строя люминесцентной лампы являются два фактора - распыление слоя люминофора, или же также обрыв одного или нескольких электродов лампы. Практика показывает, что слой люминофора истощается по мере старения лампы из-за распыления, но непосредственной причиной выхода лампы из строя является именно выход из строя электродов лампы. Во время работы лампы электроды подвергаются тяжелым нагрузкам - по ним электродам пропускают ток очень большого напряжения, что является непременным условием для возникновения дугового разряда, который и вызывает свечение газа. Внешним фактором, отрицательно действующим на электроды лампы, является частое включение-выключение лампы, особенно если балластом не предусмотрено механизмов плавного пуска. Так как электроды выходят из строя раньше, чем распылится слой люминофора, то, очевидно, что работа по продлению срока службы должна вестись именно по отношению к электродам.
Большинство производителей ламп заявляют высокий срок службы своих ламп. Обычно ими заявляется цифра 8000 – 10000 для ламп с электромагнитным балластом. Но на практике срок службы может оказаться меньше, прежде всего из-за колебаний напряжения в сети, к которым очень чувствительно начинка ламп. Надо отметить что, по некоторой информации, срок службы лампы снижается в два раза при увеличении напряжения питания всего на 8 процентов. Кроме того лампы с электромагнитным балластом дают паразитные нагрузки в электросеть. Соответственно, желательно, чтобы пускорегулирующий аппарат был свободен от таких недостатков. И такие балласты существуют.
Самым очевидным способом продления срока службы является использование электронных балластов. Электронный балласт является более совершенным устройством, в сравнении с электромагнитным.
Он имеет следующие достоинства: потребление электроэнергии на 20-25 процентов меньше чем при использовании электромагнитного балласта (это достигается подачей на электроды тока гораздо большей частоты чем сетевая), тем же достигается и отсутствием заметного для глаза мерцания, также для электронного балласта не требуется наличие отдельного стартера. Также существуют электронные балласты с плавным включением, что позволяет продлить срок службы электродов лампы на 20-30 процентов.
Кроме того обычно электронные балласты иногда снабжены корректором коэффициента мощности, что уменьшает нагрузку на электросеть, что позволяет продлить срок службы ламп. Также существенный недостаток заключается в том, что в общем случае электронные балласты нельзя использовать с лампами, предназначенными для установки в обычный цоколь. Обычно они предназначены для линейчатых ламп.
Использование более высокого уровня питающего напряжения – это еще один способов продления срока службы ламп.
Если у лампы перегорели электроды, но колба осталась герметичной, то ее вполне возможно использовать, если питать лампу повышенным напряжением. Принцип работы схемы основан на том, что у люминесцентных ламп напряжение зажигания превышает напряжение горения, т.е если 300В не хватает для зажигания, то этого вполне хватит для горения. Существенным недостатком схемы является – это питание лампы, которое осуществляется постоянным током. Преимуществом данного подхода является то, что вместо того чтобы выбрасывать лампу можно дополнительно увеличить срок ее эксплуатации.
Система устройства безэлектродной лампы аналогична трансформатору, и второй обмоткой служит газ в колбе. На колбу с газом нанизано ферритовое кольцо. На ферритовом кольце сделаны витки, по которым течет ток высокого переменного напряжения и высокой частоты. Обмотки взаимодействуют и в результате этого внутри колбы образуется газовый разряд, который и обеспечивает свечение. В таких лампах люминофор зачастую не используется. Из-за отсутствия деградирующих частей безэлектродные лампы имеют значительно больший срок службы, чем другие газоразрядные лампы. Он составляет примерно 80000-90000тыс. часов. Также следует полагать,что безэлектродные лампы имеют большую световую отдачу, из-за отсутствия потерь тока на электродах. Однако, их повсеместное распространение ограничивается высокой стоимостью. Такжеэти устройства имеют сложную начинку в своей электрической части.
Можно использовать в качестве источника электромагнитного поля катушку Тесла. Схема представлена на рисунке 1. Резисторы выполняют роль смещения, а между обмотками возникает трансформаторная связь. В этой схеме имеются два колебательных контура.
Рисунок 1 Схема источника питания для люминесцентных ламп.
Катушка L2 намотана на каркасе диаметром 5 сантиметров и содержит в себе около 1200 витков провода сечением около 0,2 миллиметров. Номиналы резисторов можно увеличивать раз в 10, что улучшает тепловой режим транзистора, который в процессе работы активно нагревается. Также желательно установить параллельно этому транзистору еще один, и использовать выравнивающие резисторы. Катушка L1 имеет 3-5 витков проводом, большего сечения чем катушка L2. Этот провод имеет диаметр около 2-3 миллиметров. Катушки должны быть намотаны в одну сторону, в противном случае магнитные поля катушек не будут совпадать и устройство не запустится. Катушка L2 должна располагаться внутри первичной катушки L1. При этом катушка L1 должна быть растянута примерно на одну или две трети длинны катушки L2.Также нагрев транзистора можно уменьшить если использовать переменное напряжение, выпрямленное по однополупериодной схеме.
Питание устройства осуществляется через зарядное устройство напряжением 12В и током 1,5 А. Дроссель D1 в этой схеме служит обмоткой возбуждения.
Электромагнитное поле катушки вызывает свечение прежде всего люминесцентных ламп. Максимум яркости лампы наблюдается при ее поднесении ближе к верху катушки. Но не только они, но и практически все виды других газонаполненных ламп начинают светиться в поле катушки.
Наилучшие результаты были получены для ламп трубчатой формы, это связано с направлением распространения электромагнитных волн, так как в поле катушки наиболее эффективно используется их площадь. Потребление прямо пропорционально размерам лампы. Это устройство позволяет использовать лампы со сгоревшими нитями электродов. Теоретически, можно вообще не использовать лампы в классическом понимании, а просто создавать разряд в любых колбах с газом.
Но у устройства имеется также ряд существенных недостатков: прежде всего это неэффективное использование энергии на создание поля, которое распространяется во все стороны. Еще один существенный минус этой конструкции – это малый КПД этого устройства. Можно сравнить яркость лампы при включении ее в сеть и при использовании данного устройства. И яркость лампы будет больше при включении ее в сеть.
Мною была тестирована только вышедшая из строя лампа на 11Вт, которая вкручивалась в обычный патрон. Для ламп трубчатой формы можно ожидать лучшего результата, однако их яркость будет меньше, чем при обычном включении. Для получения лучшего результата следует ограничить рассеяние полей, однако это возможно только при использовании соответствующих материалов для изоляции или радикального изменения конструкции устройства.
Любопытно, что точно такие же опыты Никола Тесла проводил еще пару столетий назад. На глазах у публики он зажигал газонаполненные лампы на расстоянии. Фактически, Катушку Тесла можно назвать дедушкой современных безэлектродных ламп. Хоть на практике она мало пригодна, однако она стала показательным примером о возможности создания таких ламп. Хотя если ввести обе обмотки в резонанс, то ее КПД теоретически должен увеличиться, но на практике необходимы дополнительные тесты прежде всего осциллографом. Но стоит заметить, что люди, которые строят катушки Теслы других видов (на разрядниках, на лампах) отмечают рост характеристик при нахождении резонанса между двумя катушками.
На сегодняшний день более перспективной и эффективной системой являются именно безэлектродные лампы. Хотелось бы обратить внимание на то, что эта ниша во всем многообразии средств освещения пока совершенно не использована российскими компаниями. Для того чтобы такие лампы пользовались спросом, необходимо уменьшить их стоимость, на что можно рассчитывать в будущем.
Гайфуллин Б.Р.
«Казанский национальный исследовательский технологический университет
им. А.Н. Туполева – КАИ»