Городской конкурс научно-исследовательских Проектных и творческих работ учащихся «Первые шаги» название работы

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №10 города Белово»
Городской конкурс научно-исследовательских
Проектных и творческих работ учащихся
«Первые шаги»
направление: физика и познание мира
название работы
Электричество для экономии электричества.
Выполнил:
Фарафонтов Сергей
ученик 10 А класса
Руководитель:
Трунова Л.А.
учитель физики
Белово 2010
1
Содержание
Введение
3
1. Источники света
4
1.1. Характеристики и применение источников света
4
1.2. Влияние видимого излучения на организм человека
7
2. Устройство для экономии электроэнергии
10
2.1. Экономические расчёты
10
2.2. Характеристики устройства.
11
2.3. Принципиальная схема автомата
13
2.4. Назначение и принцип работы основных блоков схемы
14
Заключение
16
Литература
17
Приложение
2
Введение
Потребность в электроэнергии постоянно увеличивается во всех сферах
человеческой деятельности. Удовлетворить эту потребность можно двумя
способами: строительством новых мощных электростанций или более
эффективным использованием электроэнергии.
Возможности для экономии электроэнергии имеются, и не малые. Одна из
них связана с освещением, на которое тратится около 25%всей производимой
электроэнергии. Простые меры по экономному применению освещения в домах и
производственных помещениях способны дать немалый эффект.
Из-за того, что порог зрительного восприятия у разных людей отличается, то,
наблюдая за работой искусственного освещения, мы пришли к выводу, что свет не
включают и не отключают вовремя.
Исходя из всего выше сказанного, целью моей работы явилось изобретение и
конструирование такого автомата, который сигнализировал нам о необходимости
вовремя отключить или включить свет. Для этого нужно было решить следующие
задачи:
 подобрать литературу по описанию автоматических устройств;
 изучить принцип работы основных узлов;
 составить принципиальную схему;
 собрать и проверить автомат;
 установить и вести наблюдение за работой устройства.
3
1. Источники света
1.1. Характеристики и применение источников света
Источниками искусственного света являются:
. Лампа накаливания;
· Галогенные лампы;
· Энергосберегающие лампы (компактные люминесцентные лампы)
· Люминесцентные лампы;
. Неоновые лампы.
Лампа накаливания. Принцип действия.
В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника
(нити накаливания) при протекании через него электрического тока
(тепловое действие тока). Температура вольфрамовой нити накала
резко возрастает после включения тока. Для получения видимого излучения
необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в
идеале 5770 K (температура поверхности Солнца). В современных лампах
накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления
— вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).При практически
достижимых температурах 2300-2900 °C излучается далеко не белый и не дневной
свет. По этой причине ЛН испускают свет, который кажется более «жёлтокрасным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н.
цветовая температура.
В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы
в оксид. По этой причине ТН помещено в колбу, из которой в процессе
изготовления ЛН откачиваются атмосферные газы. Наиболее опасными для ЛН
являются кислород и водяные пары, в атмосфере которых происходит быстрое
окисление ТН. Первые ЛН изготавливали вакуумными; в настоящее время только
лампы малой мощности (для ЛОН - до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной
колбе. Колбы более мощных ЛН наполняют газом (азотом, аргоном или
4
криптоном). Повышенное давление в колбе газополных ламп резко уменьшает
скорость разрушения ТН из-за распыления. [1]
Галогеновая лампа
Добавление в буферный газ паров галогенов (брома или йода)
повышает срок службы лампы до 2 — 4 тыс. часов. При этом
рабочая температура спирали составляет примерно 3000
К.
Световая отдача галогенных ламп достигает 28 лм/Вт. Йод
(совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое
соединение с испарившимися атомами вольфрама. Этот процесс является
обратимым
—
при
высоких
температурах
соединение
распадается
на
составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются, таким образом либо
на самой спирали, либо вблизи неё. Добавление галогенов предотвращает
осаждение вольфрама на стекле, при условии, что температура стекла выше 250
°C. По причине отсутствия почернения колбы, галогенные лампы можно
изготавливать в очень компактном виде. Малый объём колбы позволяет, с одной
стороны, использовать большее рабочее давление (что опять же ведёт к
уменьшению скорости испарения нити) и, с другой стороны, без существенного
увеличения стоимости заполнять колбу тяжёлыми инертными газами, что ведёт к
уменьшению потерь энергии за счёт теплопроводности. Всё это удлиняет время
жизни галогенных ламп и повышает их эффективность. Ввиду высокой
температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки
пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к
локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной
её разрушения. Также из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из
кварцевого стекла. [1]
Люминесцентные (Энергосберегающие) лампы
Газоразрядный
определяется
источник
в
света,
основном
световой
свечением
поток
которого
люминофоров
под
воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое
свечение
разряда
не
превышает
нескольких
5
процентов.
Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения, при этом
их световая отдача в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же
назначения. Срок службы люминесцентных ламп может до 20 раз превышать срок
службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества
электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу коммутаций, в
противном случае быстро выходят из строя. Наиболее распространённой
разновидностью подобных источников является ртутная люминесцентная лампа.
Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с
нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора. При работе
люминесцентной
лампы
между
двумя
электродами
противоположных
концах
лампы
возникает
находящимися
низкотемпературный
в
дуговой
электрический разряд. Лампа заполнена инертным газом и парами ртути,
проходящий ток приводит к появлению УФ излучения. Это излучение невидимо
для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью
явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным
веществом — люминофором, которое поглощает УФ излучение и излучает
видимый свет. Изменяя состав люминофора можно менять оттенок свечения
лампы. [1]
Неоновые лампы
Газоразрядная лампа, наполненная в основном неоном под
низким давлением. Цвет свечения — оранжево-красный. Если к
электродам, вставленным в концы стеклянной трубки, которая
заполнена разряженным инертным газом или парами металла,
приложить напряжения из расчета не менее 500…2000В на 1 м. длины трубки, то
свободные электроны в полости трубки начинают лететь в сторону электрода с
положительным зарядом. Когда к электродам приложено переменное напряжение,
направление движения электронов изменяется с частотой приложенного
напряжения. В своем движении электроны встречаются с нейтральными атомами
газа – заполнителя полсти трубки – и ионизируют их, выбивая электроны с
6
верхней орбиты в пространство. Возбужденные таким образом атомы, вновь
сталкиваясь с электронами, снова превращаются в нейтральные атомы. Это
обратное превращение сопровождается излучением кванта световой энергии.
Каждому инертному газу и парам металла соответствует свой спектральный
состав излучаемого света:
Трубки с гелием светятся светло-желтым или бледно-розовым светом,
Трубки с неоном – красным светом,
Трубки с аргоном – голубым светом.
Смешивая инертные газы или нанося люминофоры на поверхность разрядной
трубки, получают различные оттенки свечения.
Срок службы неоновых ламп (аргоновых ламп) – 10-15 лет.[1]
1.2. Влияние видимого излучения на организм человека
Солнечный свет, являясь источником всего живого на Земле, а также
первопричиной появления самого органа зрения, при определенных условиях
может вызывать опасные необратимые повреждения глаз. Созданные человеком
мощные
искусственные
источники
световых
излучений,
призванные
удовлетворять потребности науки, производства и медицины, также нередко
являются причиной функциональных и органических повреждений глаз у людей.
Резкое изменение уровня общей освещенности или яркости рассматриваемых
объектов
обусловливает
нарушение
зрительного
восприятия
в
течение
промежутка времени, необходимого для перехода на новый уровень адаптации.
Это явление в физиологической оптике получило название “ослепление”.
В настоящее время к видимому излучению оптического диапазона относится
излучение с длинами волн от 400 до 780 нм. Световое излучение способно вызвать
повреждение только в той ткани, в которой оно поглощается. Своеобразие органа
зрения заключается в том, что в его составе имеются прозрачные для видимого
света оптические среды, которые фокусируют его на глазном дне.
При освещении производственных помещений используют естественное
освещение, создаваемое прямыми солнечными лучами и рассеянным светом
7
небосвода и меняющемся в зависимости от географической широты, времени года
и суток, степени облачности и прозрачности атмосферы; искусственное
освещение, создаваемое электрическими источниками света, и совмещенное
освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение
дополняют искусственным. Конструктивно естественное освещение подразделяют
на боковое (одно- и двухстороннее), осуществляемое через световые проемы в
наружных стенах; верхнее - через аэрационные и зенитные фонари, проемы в
кровле и перекрытиях; комбинированное - сочетание верхнего и бокового
освещения. Искусственное освещение по конструктивному исполнению может
быть двух видов - общее и комбинированное. Различают общее равномерное
освещение (световой поток распределяется равномерно по всей площади без учета
расположения рабочих мест) и общее локализованное освещение (с учетом
расположения рабочих мест). Применение одного местного освещения внутри
производственных помещений не допускается, поскольку образуются резкие тени,
зрение быстро утомляется и создается опасность производственного травматизма.
По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на
рабочее, аварийное и специальное, которое может быть охранным, дежурным,
эвакуационным. Рабочее освещение предназначено для обеспечения нормального
выполнения производственного процесса, прохода людей, движения транспорта и
является обязательным для всех производственных помещений. Основной задачей
производственного
освещения
является
поддержание
на
рабочем
месте
освещенности, соответствующей характеру зрительной работы. Увеличение
освещенности рабочей поверхности улучшает видимость объектов за счет
повышения
их
яркости,
увеличивает
скорость различения
деталей, что
сказывается на росте производительности труда. Дальнейшее повышение
освещенности не дает роста производительности. Перевод взгляда с ярко
освещенной
на
слабо
освещенную
поверхность
вынуждает
глаз
переадаптироваться, что ведет к утомлению зрения и соответственно к снижению
производительности труда. Светлая окраска потолка, стен и
предметов
способствует равномерному распределению яркостей в поле зрения работающего.
8
Производственное освещение должно обеспечивать отсутствие в поле зрения
работающего резких теней. Наличие резких теней искажает размеры и формы
объектов, их различение, и тем самым повышает утомляемость, снижает
производительность труда. Особенно вредны движущиеся тени, которые могут
привести
к
травмам.
Тени
необходимо
смягчать,
применяя,
например,
светильники со светорассеивающими молочными стеклами, при естественном
освещении, используя солнцезащитные устройства (жалюзи, козырьки и др.). Для
улучшения видимости объектов в поле зрения работающего должна отсутствовать
прямая и отраженная блескость. [6]
9
2. Устройство для экономии электроэнергии
2.1. Экономические расчёты
Рассчитаем суммарную мощность Р [Вт] осветительных приборов в кабинете
Робщ.=Р1+Р2+Р3…………….Р
В одном светильнике 2 лампы мощностью по 80Вт.
Три ряда светильников по 6 штук имеют общую мощность Робщ.= 60*2*13=1560Вт.
Рассчитаем работу электрического тока А [кВт*ч]:
А=Рt; в среднем за одни учебные сутки в кабинете свет горит 8 часов.
А=1560*8=12480 Вт*ч = 12,48 кВт*
Рассчитаем стоимость потребляемой электроэнергии:
В среднем стоимость 1 кВт*ч равна 1,40руб., значит при не прерывной 8-ми
часовой работе освещения в кабинете школа тратит на электроэнергию
приблизительно 30 рублей. В зимнее время, за один месяц, такой кабинет урежет
бюджет школы на
(30*8=240ч; А=240*1560=374400Вт.*ч=374,4кВт*ч) 374,4*1,40=524руб.16коп.
В летнее время, за один месяц, кабинет потребляет электроэнергию на
374/2=187кВт*ч стоимость которой составит приблизительно 261,8руб.
Наблюдая за работой освещения, мы пришли к выводу, что в среднем свет не
отключается во время, время бесполезной работы освещения приблизительно
составила, как минимум,
30 мин. в сутки. Определим работу и стоимость
затраченной в пустую электроэнергии за это время.
А=1560*0.5=780 Вт*ч = 0,78 кВт*ч
(30*0.5=15ч; А=15*1560=23400Вт.*ч=23,4кВт*ч) 23,4*1,4=32,76 руб.
Рассчитаем потребляемую электроэнергию нашего устройства за месяц и
стоимость этой электроэнергии:
(30*12=360ч; А=360*9=3240Вт.*ч=3,24кВт*ч) 3.24*1,4=4,54руб.
При работе данного устройства экономия за месяц
28,22руб.
Экономия за учебный год составит 9*28=252руб.
10
составила, как минимум,
По предварительным подсчётам, работать данное устройство без замены
деталей будет 10лет.
Значит, экономия за время эксплуатации устройства составляет 10*252=2520руб.
Если устройство применить в 10 кабинетах нашей школы, то суммарная экономия
за год составит 252*10=2520руб.
Стоимость устройства составляет 560руб.
В течение года он будет окуплен, и дальнейшее использование устройства
позволит экономить электроэнергию.
Работать данное устройство без замены деталей по предварительным
подсчётам составит 10лет.
2.2. Характеристики устройства
Автомат для экономии электроэнергии выполнен на полупроводниковых
приборах, разработки 70-х годов.
Для световой индикации применены две люминесцентные лампы мощностью
9 Вт импортного производства.
В дежурном режиме устройство употребляет ток 0.01А при напряжении в
городской электрической сети 220 В переменного тока.
В режиме сигнализации устройство употребляет ток 0,05А при напряжении в
городской электрической сети 220 В переменного тока.
Средняя
мощность
равна 9 Вт.
Автомат не теряет своих функций при колебании напряжения в сети с 210
до250 В и частоте 50-60Гц.
11
На приборе имеются:
Не оперативные ручки настройки-1,2
Провод сетевого электропитания-3
Датчик уровня освещения на улице-4
Датчик уровня освещения в кабинете-5
Датчик работы светильников-6
Внешний вид автомата
12
2.3. Принципиальная схема автомата.
LW - Люминесцентные лампы мощностью не более 9 W.(приложение1)
TV - Трансформатор рассчитан на 220 вольт переменного тока, вторичная
обмотка на 5-9В
К1 - Поляризованное реле типа РП-5 паспорт РС4522005
Диодный мост любого типа.
Фоторезисторы
Транзисторы МП42
Полупроводниковые диоды Д226Б
Пьезоизлучатель ЗП-3 или др.
13
2.4. Назначение и принцип работы основных блоков схемы.
При
сборке
устройства
своё
внимание
нужно
сконцентрировать
при
конструировании узла световой индикации и питания, так как эти узлы работают
при напряжении 220В.
Что касается работы, то этот автомат работает до безумия просто.
Итак, давайте разберёмся, как работает узел индикации «включите свет»
В кабинете светло - фоторезистор «КАБ» освещён.
А когда уровень
освещённости опускается ниже максимально допустимой нормы, фоторезистор
резко увеличивает своё сопротивление. [2]
Запускается звуковой сигнализатор, собранный на микросхемеDD1, так же через
тока ограничительный резистор открывается узел световой индикации, и мы
видим и слышим требования автомата, «включите свет». Когда мы включаем свет
сопротивление фоторезистора «КАБ» уменьшается, и автомат переходит в
дежурный режим. [2]
Теперь разберём, как работает узел индикации «выключите свет». Если за
окном достаточно светло и в кабинете горит свет, то сопротивление
фоторезистора «Ул» мало, а также открыт фотодиод «Осв». Запускается звуковой
генератор на микросхеме DD2 и схема индикации «выключите свет». Когда мы
выключаем свет, то фотодиод «Осв» закрывается и автомат переходит в дежурный
режим. Если освещение в кабинете до этого было выключено, то автомат не будет
сигнализировать «выключите свет». [2]
14
Автомат настраивается с помощью люксметра по таблице уровня освещённости.
15
Заключение
Наблюдая за работой устройства, мы пришли к следующим выводам:
1. Автомат, сигнализирующий о необходимости включения света работает
без сбоев, вовремя даёт как звуковой, так и видимый сигнал.
2. Сигнал выключение света, видимый и звуковой происходит не в одно
время. Вовремя включается звуковой сигнал.
3. Данное устройство позволяет нам экономить электроэнергию.
Работа и стоимость затраченной в пустую электроэнергии за месяц.
При работе данного устройства экономия за месяц составила, как
минимум, 28,22руб.
Себестоимость 560руб.
В течение года стоимость устройства будет окуплена, и дальнейшее
использование устройства позволит экономить электроэнергию.
Работать данное устройство без замены деталей по предварительным
подсчётам составит 10лет
4.Недостатки устройства в том, что для его создания мы использовали
элементную базу, которая в данное время устарела. Несмотря на это мы
убедились в необходимости применения автомата. Кроме того, нами
предложены другие варианты принципиальных схем с использованием более
современных деталей.
16
Литература
1 С.И. Кабардина, Н.И.Шефер. Измерения физических величин.-М: Финном.
Лаборатория знаний,2006-199 с.
2. Кашкаров А.П., А.Л. Бутов. Оригинальные конструкции для
радиолюбителей. - М: NT Press, 2005 -350 с.
3. А.П. Кашкаров Электронные схемы для «Умного дома». М: NT Press,2007
– 255с.
4. Сворень Р. Электроника шаг за шагом. -М: Детская литература, 1991 – 446
с.
5. Осветительные приборы.[Электронный ресурс] – Радиокот. Режим
доступа: http://www.radiokot.ru/
6. Люминесцентные лампы. [Электронный ресурс] – Лампа 28. Режим
доступа
http://www.lampa28.ru/articles/article_01-012.htm
.
17
Приложение 1
Устройства световой сигнализации
Рис 1. Убираем цоколь с лампы и снимаем стартер с конденсатором.
Рис 2. Люминесцентные лампы можно заменить линейкой из светодиодов.
18
Приложение 3
Второй вариант электронной схемы
Рис 1. Принципиальная схема автомата, где световая индикация выполнена
на светодиодах белого цвета свечения.
19