Энергосберегающие ЭПРА в системах освещения

Энергосберегающие ЭПРА в системах освещения

Газоразрядные источники  света низкого давления (люминесцентные лампы), благодаря повышенной энергоэффективности и своему свойству создавать рассеянный свет, являются наиболее подходящими для освещения  помещений. Они нашли массовое использование для внутреннего освещения в промышленных, общественных и коммерческих зданиях. Однако качество освещения и продолжительность срока службы газоразрядного источника   (люминесцентной лампы) зависят от устройства, обеспечивающего ее зажигание и поддержание рабочего режима.

Традиционно электропитание  этих ламп производится током сетевой частоты 50 Гц от электромагнитных пускорегулирующих аппаратов (ПРА), в которых высокое напряжение для зажигания получают от реактора после размыкания биметаллического ключа, обеспечивающего протекание через себя тока накала электродов при замкнутом состоянии контактов.

  

 Электромагнитный балласт  (ЭмПРА) представляет собой электромагнитный дроссель, подключаемый последовательно с лампой. Параллельно лампе подключается стартер, представляющий собой неоновую лампу с биметаллическими электродами и конденсатор. Дроссель формирует за счет самоиндукции запускающий импульс, а также ограничивает ток через лампу.   

 Преимуществом электромагнитного  балласта является простота конструкции.  Недостатков же такой схемы  достаточно много:

• вредное и неприятное мерцание 100 Гц, а в приэлектродных областях - 50 Гц (лампа питается переменным напряжением низкой частоты, и в паузах, при переходе сетевого напряжения через ноль газ успевает деионизироваться, что можно описать как характерное мерцание). Мерцание может повредить зрению, а иногда бывает опасным (из-за стробоскопического эффекта - вращающиеся синхронно с частотой сети предметы могут казаться неподвижными). Поэтому люминесцентные лампы с электромагнитным балластом не применяют для освещения подвижных частей станков и механизмов;
• долгий запуск (1-3 с в зависимости от степени износа лампы);
• небольшой срок службы ламп;
• малый cos φ, что приводит к необходимости использования компенсирующих устройств;
• высокий коэффициент гармонических искажений, особенно по 3-ей гармонике, что крайне негативно сказывается на нагреве нейтрали питающего трансформатора;
• наличие громоздкого (а в ряде случаев и весьма шумного) дросселя и ненадежного стартера, а вышедший из строя стартер вызывает фальстарт (визуально - несколько вспышек перед стабильным зажиганием). В свою очередь, фальстарт резко снижает срок службы люминесцентной лампы;
• повышенный уровень шума и тепловыделения, возникающие при работе дросселя;
• низкий коэффициент мощности (высокие потери);
• большие габариты и масса.

 

  Электромагнитные пускорегулирующие  аппараты из-за указанных недостатков не позволяют в полной мере раскрыть все возможности освещения с использованием люминесцентных ламп. Устранить эти недостатки и получить дополнительные возможности энергосбережения позволяют электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА), второе название которых - электронные балласты.  

 Электронный  балласт (ЭПРА) подает на электроды  лампы не сетевое напряжение, а высокочастотные (20-100 кГц) колебания,  в результате чего заметное  для глаз мигание ламп исключено.  Может использоваться один из  двух вариантов запуска ламп:

• Холодный запуск - при этом лампа зажигается сразу после включения. Такую схему лучше использовать в случае, если лампа включается и выключается редко, так как режим холодного пуска более вреден для электродов лампы.
• Горячий запуск - с предварительным прогревом электродов. Лампа зажигается не сразу, а спустя 0,5-1 с, зато срок службы увеличивается, особенно при частых включениях и выключениях.

 

  Современные электронные балласты  обеспечивают:

• приятный немерцающий свет без стробоскопических эффектов и отсутствие шума благодаря работе в высокочастотном диапазоне;
• слабое электромагнитное поле;
• надежное и быстрое (без мерцаний) зажигание ламп;
• стабильность освещения независимо от колебаний сетевого напряжения;
• возможность регулировки светового потока;
• отключение по истечении срока службы лампы;
• высокое качество потребляемой электроэнергии - близкий к единице коэффициент мощности благодаря потреблению синусоидального тока с нулевым фазовым сдвигом (при использовании активного корректора мощности).
• меньшее количество перегоревших ламп (до 30%) за счет увеличения их срока службы.

 

  Электронные балласты являются  достаточно дорогими устройствами, однако начальные затраты компенсируются  их высокой экономичностью, которая  характеризуется:

• уменьшенным на 20 % энергопотреблением (при сохранении светового потока) за счет повышения светоотдачи лампы на повышенной частоте и более высокого КПД ЭПРА по сравнению с электромагнитным ПРА;
• увеличенным на 50% сроком службы ламп благодаря щадящему режиму работы и пуска;
• снижением эксплуатационных расходов за счет сокращения числа заменяемых ламп и отсутствия необходимости замены стартеров.

 

  Электронные балласты производятся  в массовом количестве и имеют  высокий спрос на Западе, где  интенсивно внедряются энергосберегающие  технологии. В настоящее время  электронные балласты находят  растущее применение в изделиях  ведущих электротехнических и  светотехнических фирм. 

 На данный  момент  в США 55% всех балластов - электронные , в Японии таковых 42%, в Германии 40 %, а в Европе и Китае по 25%, Россия и СНГ отстают от Восточных и Западных соседей. 

 Отдельно следует  отметить использование ЭПРА  при работе ламп ультрафиолетового  обеззараживания, которые используются  в установках ультрафиолетовой  очистки питьевой воды, сточных  вод и воздуха. Использование  компактных ЭПРА  в области обеззараживания, работающих на частоте 40-50 кГц, позволило повысить КПД систем, увеличить срок службы УФ-ламп и варьировать электрическую мощность ламп в процессе их работы. Кроме того, применение программируемого пуска лампы позволило достичь больших значений числа включений, что является важнейшей характеристикой комплекта балласт-лампа. 

 В России также  как и на Западе растет интерес  к электронным балластам, как  у потребителей, так и у производителей  светотехнической продукции. Работы  по освоению производства элементной  базы и электронных балластов  для трубчатых ламп ведутся  рядом российских фирм. Однако  пока у нас в стране распространены  электронные балласты, главным образом,  китайских производителей, предлагающих более низкую цену в совокупности с низким качеством. 

 В некоторых  случаях рекомендуется избежать  ненужной экономии, поскольку от  исправности ЭПРА зависит также  и исправность ламп. К тому  же, по подсчетам экспертов, качественный  электронный балласт за счет  экономии электроэнергии и длительной  работы ламп окупится в течение  срока эксплуатации. 

 Вообще, необходимо  отдельно отметить, лампа и балласт  - это комплект, каждая часть которого  практически бессмысленна друг  без друга. Именно поэтому лампа  или балласт «подобранные по  мощности» зачастую просто не  работают или имеют крайне  низкие эксплуатационные характеристики.  

 В связи с  вышесказанным, растущий рынок  электротехники и светотехники  привлекает к проблемам разработки  электронных балластов значительное  количество специалистов, имеющих  опыт в проектировании преобразовательных  устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание 

 

 

  

 

 

 

Введение                                                                                                                  3

1. Рациональное освещение  квартиры                                                              5

2. Освещение на промышленных  предприятиях                                          11

3. Уличное освещение                                                                                         12

3.1 Выгода перехода  от ламп ДРЛ к «натриевым»                             12

3.2    Совершенствование автоматизированного управления с целью экономии энергии                                                                                    14

3.3  Эволюция освещения: энергосберегающие светильники на полупроводниковых источниках света                                                           19

4.  Космическое зеркало                                                                                     26

Заключение                                                                                                  28

Литература                                                                                                            30 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Уходя, гасите свет.

Автор неизвестен. 

 

 

 

Введение

Приблизительно за один век  человечество прошло путь от лучинки  до космического зеркала. На сей момент уже осветили всё что нужно  и не очень, хотя можно было-бы ещё.

Необходимо отметить, что  лампы накаливания, которые сыграли  огромную роль в развитии человечества и которым в 2006 году исполнилось 125 лет со дня их изобретения, сегодня  являются недопустимо устаревшим источником света. Их можно сравнить с такой  устаревшей техникой, как паровозная или конная тяга, и со многим другим, от чего человечество уже отказалось.

Освещение в жилых домах, общественных зданиях, промышленности потребляет электроэнергию в значительном объеме. Раскрытие больших потенциалов  сбережения энергии возможно путем  применения инновационных концепций  освещения и использования современных  энергоэффективных светильников. Для планомерного внедрения систем энергоэффективного освещения следует решить существующие проблемы в данной области.

Современные проблемы энергоэффективного освещения многогранны и имеют широкий спектр. Их решением сейчас занимается большое количество фирм и организаций, работающих в области светотехники. И это действительно актуально, поскольку дефицит энергии становится проблемой все большего числа российских городов. В условиях энергетического и мирового экономического кризиса актуально звучат слова известного писателя-фантаста Артура Кларка: "В качестве единой мировой валюты будет киловатт-час". Россия к этому приближается весьма быстрыми темпами.

В стране в 2006 году потребность  в электроэнергии увеличилась в 2,5 раза. Планы по введению новых  генерирующих мощностей были пересмотрены, и вместо 23 МВт за пятилетку было решено ввести 41 МВт новых энергетических мощностей.       

В России зимой короткий световой день, вплоть до полярной ночи в северных городах. Пик потребления электрической мощности на освещение по времени совпадает с максимальным потреблением на цели отопления. 

Энергетическая стратегия  Российской Федерации на период до 2020 года предусматривает, что 80% прироста промышленного производства должно быть обеспечено за счет энергосбережения и структурной перестройки экономики  страны в направлении повышения  энергоэффективности.

В данном реферате коротко  рассмотрены перспективные возможности  сбережения энергии на нужды освещения.  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

1. Рациональное  освещение квартиры 

 

 

  Самыми крупными потребителями  электроэнергии в коммунально-бытовом  хозяйстве являются жилые дома. В  них ежегодно расходуется в среднем 400 кВт*ч на человека, из которых примерно 280 кВт*ч потребляется внутри квартиры на освещение и бытовые приборы  различного назначения и 120 кВт*ч –  в установках инженерного оборудования и освещения общедомовых помещений. Внутриквартирное потребление электроэнергии составляет примерно 900 кВт*ч в год в расчёте на «усреднённую» городскую квартиру.    

Итак, потребность в энергии  постоянно увеличивается. Электростанции работают с полной нагрузкой, особенно напряжённо – в осенне-зимний период года в часы наибольшего потребления  электроэнергии: с 8.00 до 10.00 и с 17.00 до 21.00. И в это напряжённое время  где-то столь необходимые для  производства киловатт-часы тратятся напрасно. В пустующих помещениях горят электрические лампы, светятся экраны телевизоров. Установлено, что 15-20% потребляемой в быту электроэнергии пропадает из-за небережливости  потребителей.    

Простота и доступность  электроэнергии породили у многих людей  представление о неисчерпаемости  наших энергетических ресурсов, притупили  чувство необходимости её экономии.    

Между тем, электроэнергия сегодня  дорожает. Поэтому старый призыв «Экономьте электроэнергию!» стал ещё более  актуальным. Посмотрим, как можно это сделать в электрическом освещении.

Освещение квартиры складывается из естественного и искусственного. Любое из них должно обеспечивать достаточную освещённость помещения, а также должно быть равномерным, без резких и неприятных теней.    

 

 

   В помещения, окна которых  выходят на север и частично на запад и восток, попадает лишь рассеянный свет. Для улучшения естественного  освещения комнат отделку стен и  потолка рекомендуется делать светлой. Естественная освещённость зависит  также от потерь света при попадании через оконные стёкла. Запылённые стёкла могут поглощать до 30% света. Наличие в настоящее время различных химических препаратов для чистки стёкол позволяет без особых физических усилий содержать их в надлежащей чистоте.  

Значительное количество электроэнергии напрасно расходуется  днём в квартирах первых, а некоторых  домах  - вторых и третьих этажей. Причина этому – беспорядочные посадки зелени перед окнами, затрудняющие проникновение в квартиры естественного дневного света. Согласно существующим нормам деревья высаживаются на расстоянии не ближе 5 м от стен жилого дома, кустарник – 1,5 м.    

Искусственное освещение  создаётся электрическими светильниками. В современных квартирах широко распространены три системы освещения: общее, местное и комбинированное.    

При общем освещении можно  заниматься работой, не требующей сильного напряжения зрения. Светильники общего освещения обычно являются самыми мощными  светильниками в помещении, их основная задача – осветить всё как можно  более равномерно. Для этого обычно используют потолочные или подвесные  светильники, установленные в центре потолка. Общую освещённость можно  считать достаточной, если на 1 кв.м  площади приходится 15-25 Вт мощности ламп накаливания.   

В одном или нескольких местах помещения следует обеспечить местное освещение с учётом конкретных условий. Такое освещение требует  специальных светильников, устанавливаемых  в непосредственной близости к письменному  столу, креслу, туалетному столику и  т.п. Так, например, достаточное освещение  листа ватмана при черчении обеспечит  светильник с лампой накаливания  мощностью 150 Вт на расстоянии 0,8-1 м. Штопку чёрными нитками (что требует  очень высокой освещённости) можно  выполнять при лампе мощностью 100 Вт на расстоянии 20-30 см. Для продолжительного чтения рекомендуется светильник с  лампой накаливания в 60 Вт.   

Комбинированное освещение  достигается одновременным использованием светильников общего и местного назначения, а также при помощи светильников комбинированного освещения. К ним  относятся многоламповые светильники (например, люстры), имеющие 2 группы ламп, одна из которых обеспечивает местное, а другая – общее освещение. Местное  создаётся световым потоком, направленным вниз (одна лампа накаливания в 100, 150, 200 Вт), а общее – световым потоком, рассеянным во всех направлениях (несколько  ламп в 15-40 Вт).   

Наиболее рациональным является принцип зонального освещения, основанный на использовании общего, комбинированного или местного освещения отдельных функциональных зон. Если при освещении этих зон  использовать лампы направленного света, настольные лампы, торшеры, бра, то в квартире станет уютнее, а следовательно, и комфортнее. Для такого зонального освещения подходят лампы в 1,5-2 раза менее мощные, чем в подвесных светильниках. В результате на комнату 18-20 кв. м экономится до 200 кВт*ч в год. 

 

 

   Между отдельными источниками  света существует большая разница  в световой отдаче (см.табл): 

 

 

 

	лк/Вт
Лампа накаливания	12
Галогенная лампа	22
Люминесцентная лампа	55
Ртутная лампа высокого давления	55
Галогенная лампа высокого давления	80
Натриевая лампа высокого давления	95

 

  

Лампы накаливания являются традиционными и широко применяемыми источниками света. Весьма ощутимую экономию электроэнергии при использовании  ламп накаливания могут дать следующие  мероприятия:

-         применение криптоновых ламп накаливания, имеющих световую отдачу на 10% выше, чем у ламп накаливания с аргоновым наполнением;

-         замена двух ламп меньшей мощности на одну несколько большей мощности. Например, использование 1 лампы мощностью 100 Вт вместо 2 ламп по 60 Вт каждая экономит при той же освещённости потребление энергии на 12%;

-         поддержание допустимого напряжения. Для нормальной работы электрических ламп необходимо, чтобы отклонение напряжения не выходило за пределы –2,5% и +5% от номинального. Световой поток ламп зависит от уровня напряжения. Так, при снижении напряжения на 1% у ламп накаливания световой поток уменьшается на 3-4%;

-         периодическая замена ламп к концу срока службы (около 1000 ч). Световой поток ламп накаливания к концу срока службы снижается на 15%;

-         периодическая чистка от пыли и грязи ламп, плафонов и осветительной арматуры. Не чистившиеся в течение года лампы и люстры пропускают на 30% света меньше, даже в сравнительно чистой среде. На кухне с газовой плитой лампочки загрязнятся намного быстрее;

-         снижение уровня освещённости в подсобных помещениях, коридорах, туалетах и т.п.;

-         широкое применение светорегуляторов, позволяющих в широких пределах изменять уровень освещённости;

-         применение реле времени для  отключения светильника через определённое время.    

Ну и, наверное, ещё раз  следует напомнить прописную  истину: необходимо периодически проверять, не горят ли лишние лампы, не включены ли ненужные на данный момент электроприборы; уходя из дома, выключать все электроприборы и осветительные установки, за исключением  холодильника.   

Более совершенными источниками  света являются люминесцентные лампы. Это разновидность газоразрядного источника света, в котором используется способность некоторых веществ (люминофоров) светиться под действием ультрафиолетового  излучения электрического разряда. Люминесцентные лампы изготовляются  в виде стеклянных трубок с двумя  металлическими цоколями, наполненных  парами ртути под низким давлением.  Такая лампа имеет по сравнению с лампой накаливания в 4-5 раз более высокую световую отдачу и в 5-8 раз больший срок службы. Например, светоотдача люминесцентной лампы 20 Вт равна светоотдаче лампы накаливания 150 Вт.   

Бытует мнение о вредности  люминесцентного освещения. Оно  безосновательно. Наоборот, это освещение  позволяет получить мягкий рассеянный свет, меньше слепящий глаза и вызывающий меньшее их утомление.   

Как показывают исследования, средняя освещённость наших квартир  ещё недостаточна. Это отражается на зрении, повышает утомляемость, снижает  работоспособность, ухудшает настроение человека. Реальный путь к созданию необходимого уровня освещённости при  значительной экономии электроэнергии – использование люминесцентного  освещения.

Тип лампы по форме колбы	Мощность, Вт	Рекомендуемая область применения
Прямые	65 40 30	Общее освещение кухонь, кухонь-столовых, карнизное освещение  вертикальных поверхностей, установка  под полками и навесным оборудованием  кухонь и др.
Малогабаритные прямые	20 16 13 8	Настенные светильники местного и комбинированного освещения, настольные и напольные светильники для  освещения рабочих поверхностей, светильники для встраивания  в мебель
V-образные	30 22	Потолочные светильники  общего освещения, настенные светильники  для освещения рабочих поверхностей
W-образные	30	Потолочные и подвесные  светильники общего освещения жилых  и вспомогательных помещений
Кольцевые	40 32 22	Потолочные и подвесные  светильники общего освещения, напольные  и настенные светильники для  освещения рабочих поверхностей

 

 

Технология освещения на базе светодиодных ламп в данном разделе не рассматривается, в силу малой распространенности и непригодности для освещения  жилых помещений. 

 

 

  

 

 

 

2. Освещение на  промышленных предприятиях

По статистическим данным, энергопотребление на освещение  пром.предприятий занимает 15% и стремительно падает.

В первую очередь это связано  с упадком производства в России.

Вторая причина, не смотря на кризис, это переход на полностью  автоматизированные линии технологического процесса. Такие производства могу работать сутками без вмешательства  человека, следовательно освещение  можно отключать за ненадобностью.  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

3. Уличное освещение

3.1 Выгода перехода  от ламп ДРЛ к «натриевым»

Появление новых технологий в системах уличного освещения позволяет  получить большой экономический  эффект. Практика показывает, что при  их внедрении потенциал экономии электроэнергии в большинстве муниципальных  систем уличного освещения может  составлять более 50 %.

 

В рамках разработанной Федеральной  целевой программы "Энергосбережение России" многие регионы разработали  свою концепцию энергосбережения, отличающуюся отдельными разделами, отражающими  специфику региона, муниципального образования. Но во всех программах присутствуют мероприятия по совершенствованию  светильников и светотехнического  оборудования, эксплуатации и модернизации городского электроосветительного  хозяйства.

В большинстве муниципальных  образований РФ имеет место сильный  физический износ осветительного оборудования, освещенность дорог ниже нормы в 2-3 раза, светильники имеют устаревшую конструкцию (эксплуатация отражателя без защиты от попадания влаги  и пыли приводит к потере светотехнических характеристик и снижению КПД), в  светильниках используются низкоэффективные лампы накаливания (светоотдача 12 лм/Вт) и ртутные лампы типа ДРЛ (светоотдача 55 лм/Вт).

Большую экономию электрической  энергии дает модернизация уличного освещения, основанная на замене светильников с ртутными лампами и лампами  накаливания на более эффективные  натриевые (ДНаТ).

Помимо энергосбережения (в части электроэнергии) модернизация систем уличного освещения позволяет  сократить потребляемую мощность. Это особенно важно для регионов, в которых ощущается дефицит мощностей.

Реконструкция системы уличного освещения приводит  к целому ряду важных социальных аспектов. Известно, что социальная и экономическая сферы неразрывно связаны между собой и изменения социального характера обычно влекут за собой изменения в финансовой сфере.

При недостаточном освещении  водители планируют основную часть  поездок в дневное время. Из-за увеличения интенсивности движения транспорта происходит более быстрое  разрушение дорожного покрытия. Следовательно  повышение эффективности уличного освещения экономически связанно со снижением затрат на эксплуатацию дорог.

Качественное уличное  освещение обеспечивает жителям  городов чувство безопасности и  комфорта, что позволяет людям  избавиться от "страха перед ночными  улицами". Ярко освещенные улицы  города в вечерние часы позволяют  родителям не беспокоится за безопасность детей, что дает возможность организовать их досуг оптимальным образом (посещение  спортивных секций, музыкальных школ и т.д.).

Согласно статистическим данным повышение уровня освещенности напрямую влияет на криминальную обстановку в городе, снижая, число уличных  преступлений. Снижение преступлений на улицах города в темное время  суток является не только положительным  социальным фактором, но и позволяет  экономить бюджетные средства.

3.2    Совершенствование автоматизированного управления с целью экономии энергии

Системы освещения улиц и  автомагистралей играют важную роль в обеспечении комфорта и безопасности граждан. Перед разработчиками современных  систем автоматизированного управления уличным освещением стоят следующие  основные задачи:

o                    обеспечить бесперебойным освещением жилые, общественные и промышленные территории, автотрассы и прочие объекты наземной транспортной инфраструктуры. Под бесперебойным освещением понимают минимальное время от момента выхода ламп из строя до восстановления работоспособности;

o                    обеспечить экономию электроэнергии, затрачиваемой на освещение. В рамках описания систем управления уличным освещением, мы не рассматриваем энергетическую эффективность самих ламп, но анализируем системные способы сокращения энергозатрат при обеспечении качества освещения;

o                    обеспечить минимизацию затрат на техническое обслуживание (главным образом, замену ламп).

Сегодня бесперебойное освещения  часто обеспечивается с помощью  экономических рычагов: организации, ответственные за уличное освещение, платят штрафы за превышение нормативного количества неисправных ламп на своей  территории. Таким образом, противоречивые задачи минимизации расходов и оптимизации  качества услуг приходят в равновесие.

Основу существующих сетей  уличного освещения УО составляют автономно  функционирующие фрагменты, управление которыми осуществляется с применением  фотореле или таймеров. В качестве коммутационной аппаратуры для всей линии УО обычно используются контакторы или магнитные пускатели. Приборы  учета электроэнергии - практически  повсеместно однотарифные. Кроме того, достаточно часто, особенно в сельских районах, встречаются варианты сетей УО, совмещенные с сетями электроснабжения коммунально-бытового сектора (воздушные линии напряжением 0,38 кВ). В таких сетях УО управление осветительными приборами осуществляется индивидуально ручным выключателем, установленным на опоре воздушной линии, а оплата за потребленную электроэнергию взимается по усредненному количеству часов горения светильников, как правило, не соответствующему реальному режиму их работы. Контроль текущего расхода электроэнергии, режимов работы электрооборудования в таких сетях УО не ведется. Как следствие, значительные нерациональные затраты бюджетных средств на оплату электроэнергии и дополнительные эксплуатационные расходы.