Кпд лампы накаливания

Ученые нашли способ увеличить КПД лампы накаливания

19:37 12.01.16 2.1 Технологии

Александр Ершов

Исследователи из Массачусетского технологического института во главе с физиком Огненом Иличем придумали способ увеличить КПД лампы накаливания. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Идея ученых заключалась в том, чтобы ограничить испускание лампой тепла во внешнюю среду и использовать это тепло для нагревания самой лампы. Ключевым для этого было получить материал, который бы отражал инфракрасное излучение, но при этом был бы прозрачен в видимой области спектра. Ученые воспользовались фотонными кристаллами — классом материалов сложной слоистой структуры, которые за счет своей периодичности могут пропускать или отражать свет разной длины волны.

Для создания фотонных кристаллов физики использовали лист стекла толщиной в 1 мм и нанесли на него 90 чередующихся слоев оксида тантала и диоксида кремния. Эти слои, толщина которых подбиралась с помощью компьютерного моделирования, придают кристаллу полупроводниковые свойства: он способен пропускать свет и отражать ИК-излучение. Кроме того, вместо нити в лампе была использована вольфрамовая лента, которая может поглотить большую часть ИК-излучения, отраженного нанозеркалами. Как сообщается в статье, использование фотонных кристаллов помогло повысить КПД лампы накаливания с обычных 5 до 6,6 процентов .

Новые лампы накаливания еще далеки от коммерческого продукта, однако физики отмечают, что использование дополнительных наноматериалов сложной структуры потенциально может увеличить КПД до 40 процентов. Лампа накаливания испускает свет за счет прохождения электрического тока по витой вольфрамовой проволоке. Благодаря электрическому сопротивлению проводник нагревается до 2000—2800 градусов Кельвина.

Александр Еникеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Город на столе

Как изготавливают архитектурные макеты

Кирилл Игамбердиев

Прежде чем строить дом из кирпича, бетона и стали в натуральную величину, необходимо создать его макет в миниатюре из более легких и подручных материалов. Зачем это нужно? Во-первых, чтобы перевести замысел архитектора, воплощенный в чертежах на бумаге, в трехмерную форму, то есть для наглядности. Во-вторых, для проверки инженерных решений: макет покажет, нет ли противоречий в проекте, все ли конструктивные детали соответствуют друг другу. В-третьих, современный макет помогает привязать будущее здание к месту строительства, так как воспроизводит и его окружение: соседние дома, дороги, пешеходные зоны, парковки, зеленые насаждения и так далее. Наконец, в-четвертых, макет передает то, что не опишешь никакими словами — эстетику архитектуры: цветовые и фактурные решения, стройность композиции, гармонию форм. Мы расскажем о том, как создаются современные макеты, на примере компании ПИК, в рамках нашего совместного проекта «Умные решения».

Принцип действия, устройство, характеристики и КПД лампы накаливания

Щелчок выключателя - и темная комната вмиг преобразилась, стали видны детали мельчайших элементов интерьера. Так мгновенно распространяется энергия от маленького устройства, заливая светом все вокруг. Что же заставляет создавать такое мощное излучение? Ответ сокрыт в названии осветительного прибора, который именуется лампой накаливания.

История создания первых осветительных элементов

Истоки возникновения первых ламп накаливания восходят к началу XIX столетия. Вернее сказать, лампа появилась чуть позже, но эффект свечения платины и угольных стержней под действием электрической энергии уже пытались наблюдать. Перед учеными возникло два сложных вопроса:

нахождение материалов высокого сопротивления, способных раскаляться под воздействием тока до состояния излучения света;
предотвращение быстрого сгорания материала в воздушной среде.

Наиболее плодотворными в этой области стали исследования и изобретения русского ученого Александра Николаевича Лодыгина и американца Томаса Эдисона.

Лампа энергосберегающая - какую лучше выбрать?

Раньше, выбирая люстру, мы исходили из размеров комнаты и количества лампочек. Сейчас ассортимент...

Лодыгин предложил использовать в качестве элемента накаливания угольные стержни, которые находились в герметичной колбе. Недостатком конструкции была сложность выкачки воздуха, остатки которого способствовали быстрому сгоранию стержней. Но все же его лампы горели несколько часов, а разработки и патенты стали основой для создания более долговечных устройств.

Американский ученый Томас Эдисон, ознакомившись с работами Лодыгина, сделал эффективную вакуумную колбу, в которую поместил угольную нить из бамбукового волокна. Также Эдисон снабдил цоколь лампы резьбовым соединением, присущим современным лампам, и изобрел множество электротехнических элементов, таких как: штепсельный разъем, плавкий предохранитель, поворотный выключатель и многое другое. КПД лампы накаливания Эдисона был маленьким, хотя она могла работать до 1000 часов времени и получила практическое применение.

Какими бывают виды энергосберегающих ламп. Выбираем...

Для того чтобы решить, какое устройство выбрать, вы должны рассмотреть виды лампочек и типы...

Впоследствии вместо угольных элементов было предложено использовать тугоплавкие металлы. Нить из вольфрама, применяемая в современных лампах накаливания, также была запатентована Лодыгиным.

Устройство и принцип действия лампы

Конструкция лампы накаливания принципиально не изменяется уже более сотни лет. Она включает в себя:

Герметичную колбу, ограничивающую рабочее пространство и наполненную инертным газом.
Цоколь, который имеет спиральную форму. Он служит для удержания лампы в патроне и электрического соединения ее с токоведущими частями.
Проводники, ведущие ток от цоколя к спирали и удерживающие ее.
Спираль накаливания, нагревание которой и создает излучение световой энергии.

Когда электрический ток проходит через спираль, она мгновенно нагревается до высочайших температур вплоть до 2700 градусов. Это обусловлено тем, что спираль имеет большое сопротивление току и на преодоление этого сопротивления расходуется много энергии, которая выделяется как тепло. Тепло раскаляет металл (вольфрам), и он начинает излучать фотоны света. Благодаря тому что колба не содержит кислород, в процессе нагрева не происходит окисление вольфрама, и он не перегорает. Инертный газ удерживает частички раскаленного металла от испарения.

Энергосберегающие лампочки: преимущества и недостатки....

С тех пор, как на рынках появилось такое важное изобретение, как энергосберегающие лампы, обычные...

Что такое КПД лампы накаливания

Коэффициент полезного действия показывает, какой процент затраченной энергии преобразуется в полезную работу, а какой нет. В случае лампы накаливания КПД невелик, так как всего 5-10% энергии идет на излучение света, остальная выделяется в качестве тепла.

КПД первых ламп накаливания, где телом накала выступал угольный стержень, был еще меньшим по сравнению с современными устройствами. Это обусловлено дополнительными потерями на конвекцию. Спиральные нити накала имеют более низкий процент этих потерь.

КПД лампы накаливания напрямую зависит от температуры нагрева спирали. Стандартно спираль лампы 60 Вт нагревается до 2700 ºС, при этом КПД всего 5%. Можно поднять величину нагрева до 3400 ºС, повысив напряжение, но это снизит срок службы устройства более чем на 90%, хотя лампа засветит ярче, и КПД возрастет до 15%.

Неправильно думать, что увеличение мощности лампы (100, 200, 300 Вт) ведет к увеличению КПД только потому, что повысилась яркость устройства. Лампа стала светить ярче за счет большей мощности самой спирали, а вследствие и большей световой отдачи. Но затраты энергии также возросли. Поэтому КПД лампы накаливания 100 Вт будет также в пределах 5-7%.

Разновидности ламп накаливания

Лампы накаливания бывают различного конструктивного исполнения и функционального назначения. Они делятся на осветительные приборы:

Общего применения. К ним относятся лампы бытового использования разной мощности, рассчитанные на сетевое напряжение в 220 В.
Декоративного исполнения. Имеют нестандартные типы колб в виде свечей, сфер и других форм.
Иллюминационного типа. Маломощные лампы с цветным покрытием для создания красочных иллюминаций.
Местного назначения. Устройства безопасного напряжения до 40 В. Применяют на производственных столах, для освещения рабочих мест станков.
С зеркальным покрытием. Лампы, создающие направленный свет.
Сигнального типа. Служат для работы в приборных панелях различных устройств.
Для транспорта. Широкая линейка ламп повышенной износостойкости и надежности. Характеризуются удобной конструкцией, предполагающей быструю замену.
Для прожекторов. Лампы повышенной мощности, доходящей до 10 000 Вт.
Для оптических устройств. Лампы для кинопроекторов и аналогичных устройств.
Коммутаторные. Применяемые в качестве сегментов индикатора цифрового отображения измерительных приборов.

Положительные и отрицательные стороны ламп с телом накала

Осветительные устройства накального типа имеют свои особенности. К положительным можно отнести:

мгновенный розжиг спирали;
экологическую безопасность;
небольшие размеры;
приемлемую цену;
возможность создавать устройства разной мощности и величины рабочего напряжения как переменного, так и постоянного тока;
универсальность применения.

К отрицательным:

низкий КПД лампы накаливания;
чувствительность к скачкам напряжения, снижающим срок эксплуатации;
малое время рабочих часов, не превышающих 1000;
пожароопасность ламп из-за сильного нагрева колбы;
хрупкость конструкции.

Другие типы осветительных приборов

Существуют осветительные лампы, принцип действия которых в корне отличается от работы ламп накаливания. К ним относятся газоразрядные и светодиодные лампы.

Дуговых или газоразрядных ламп существует большое множество, но все они основаны на свечении газа при возникновении дуги между электродами. Свечение происходит в спектре ультрафиолета, который потом преобразуется в видимый человеческому глазу посредством прохождения через люминофорное покрытие.

Процесс, происходящий в газоразрядной лампе, включают два этапа работы: создание дугового разряда и поддержание ионизации и свечения газа в колбе. Поэтому все типы таких осветительных приборов имеют систему управления током. Устройства люминесцентные имеют более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с КПД лампы накаливания, но небезопасны, так как содержат пары ртути.

Светодиодные осветительные устройства являются наиболее современными системами. КПД лампы накаливания и светодиодной лампы несравнимы. У последней оно достигает 90%. Принцип действия светодиода основан на свечении определенного типа полупроводника под воздействием напряжения.

Чего не любит лампа накаливания

Срок службы обычной лампы накаливания будет сокращен, если:

Напряжение в сети постоянно завышено от номинального, на которое рассчитан осветительный прибор. Это связано с увеличением рабочей температуры тела накала и, как следствие, повышенное испарение сплава металла, приводящего к выходу его из строя. Хотя КПД лампы накаливания при этом будет больше.
Резко тряхнуть лампу во время работы. Когда металл раскален до состояния близкого к плавлению, а расстояние между витками спирали уменьшено вследствие расширения вещества, любое механическое, резкое движение может привести к незаметному глазу межвитковому замыканию. Это уменьшает общее сопротивление спирали току, способствует ее большему разогреву и быстрому перегоранию.
Произойдет попадание влаги на разогретую колбу. В месте попадания возникает перепад температур, который производит разрушение стекла.
Дотронуться пальцами до колбы галогенной лампы. Галогенная лампа является разновидностью лампы накаливания, но имеет значительно большую световую и тепловую отдачу. При касании на колбе остается невидимое жирное пятно от пальца. Под воздействием температуры жир сгорает, образуя нагар, препятствующий теплоотдаче. В результате этого в месте прикосновения стекло начинает плавиться и может лопнуть или вздуться, нарушая газовый режим внутри, что приводит к перегоранию спирали. Галогенные лампы накаливания КПД имеют выше, чем обыкновенные.

Как заменить лампу

Если лампа перегорела, но не разрушилась колба, то заменить ее можно после полного остывания. При этом следует отключить питание. При вкручивании лампы глаза не нужно направлять в ее сторону, особенно если выключить электричество не представляется возможным.

Когда колба лопнула, но сохранила форму, желательно взять хлопчатобумажную ткань, свернуть в несколько слоев и, обхватив ею лампу, постараться удалить стекло. Далее пассатижами с изолированными ручками аккуратно выкрутить цоколь и вкрутить новую лампу. Все операции необходимо проводить при отключенном напряжении питания.

Заключение

Несмотря на то что КПД лампы накаливания составляет мало процентов и у нее появляется все больше конкурентов, она актуальна во многих сферах жизни. Существует даже самая старая лампочка, непрерывно работающая более ста лет. Это ли не подтверждение и увековечивание гениальности мысли человека, стремящегося изменить мир?

Эффективность лампочки | Центр нанотехнологий

Выбор эффективных ламп накаливания — это простой способ сэкономить электроэнергию. В этом упражнении используйте свои чувства, чтобы сравнить эффективность различных лампочек. Почувствуйте тепло, выделяемое лампами накаливания, компактными люминесцентными и светодиодными лампами. См. компоненты, которые производят свет в каждом типе лампы. Затем послушайте звуки макромасштабных моделей, которые представляют тепловые и световые столкновения электронов в каждом типе лампочек — какая из них самая тихая и эффективная?

GOAL:

Посетители поймут, почему лампы накаливания, люминесцентные лампы и светодиоды работают с разным КПД.

МАТЕРИАЛЫ:

Лампочка с цилиндрическими плафонами.
Поднос модели лампы накаливания с металлическим шариком
Лоток для модели люминесцентной лампы с металлическим шаром •
Лоток модель светодиода (LED) с металлическим шариком

ПРОЦЕДУРА:

Набор:

Вставьте ленту с лампочками и разложите модели на подносах. Держите выключатель выключенным, пока посетители не подойдут.

Проведение демонстрации:

Включите ленту с лампочками и попросите посетителей провести рукой над каждым цилиндром, чтобы почувствовать разницу в тепле, производимом каждым из них. (Не позволяйте посетителям прикасаться к лампочкам.) Лампа накаливания нагревается, люминесцентная лампа нагревается, а светодиод остается холодным на ощупь. Объясните, что энергия, выделяемая в виде тепла, является потраченной впустую энергией. Выключите полосу лампочки.
Снимите цилиндры. (Опять же предупредите посетителей, чтобы они не прикасались к лампочкам, поскольку лампа накаливания может быть горячей.) Попросите посетителей посмотреть на разные лампочки и спросите их, узнают ли они каждый тип ламп.
Объясните, что «эффективность» лампочки — это мера того, сколько световой энергии выходит из лампочки по сравнению с количеством электричества (электрической энергии), которое было введено. Лампа со 100% эффективностью преобразует всю электроэнергию светиться и вообще не выделять тепла. Попросите посетителей ранжировать лампочки от самых эффективных до наименее эффективных. Объясните, что светодиод 9КПД 0%, компактная люминесцентная лампа имеет КПД 85%, а КПД лампы накаливания всего 10%.
Принесите модели лотков, чтобы продемонстрировать, почему эффективность каждого из них различна. Металлический шар представляет собой электроны в каждом виде лампочек. Объясните, что электроны сталкиваются с другими частицами, и каждое столкновение производит либо свет, либо тепло. Колышки в модели представляют эти другие частицы. Столкновения, которые производят звук, представляют собой потраченную впустую тепловую энергию, а бесшумные столкновения представляют собой производство света.
Попросите посетителей понаблюдать за типами бусин в каждом подносе, затем встряхните и послушайте, какой из подносов производит больше звука. Попросите их расположить подносы от самого громкого до самого тихого, а затем спросите их, какой поднос представляет какой тип лампочки. Самый громкий лоток представляет собой самую неэффективную лампу накаливания, а тихий лоток представляет собой самый эффективный светодиод.

Очистка:

Убедитесь, что в каждом лотке есть металлический шарик. Вернуть расходные материалы на хранение.

ОБЪЯСНЕНИЕ:

Каждая из трех лампочек на дисплее имеет световой поток 400 люмен, но они требуют разной мощности. Лампа накаливания потребляет 60 Вт, люминесцентная лампа — 7 Вт, светодиодная лампа — 6,5 Вт.

Когда лампа накаливания подключена к источнику питания, электрический ток проходит через металлическую нить (обычно до тех пор, пока нить накала не станет настолько горячей, что начнет светиться. Когда электроны движутся, они сталкиваются с металлическими атомами нити. Энергия каждого столкновения заставляет атомы вибрировать и нагревать их, в результате чего возникает свет. Только 10% энергии, потребляемой лампой накаливания, преобразуется в свет; остальные 90% теряется в виде тепла. Модель подноса представляет столкновения между электронами и атомами нити.

В люминесцентной лампе электрический ток проходит не через нить накала, а через стеклянную трубку, заполненную газообразной ртутью и покрытую изнутри люминофором. Когда электроны сталкиваются с атомами ртути, атомы ртути возбуждаются, излучая невидимый ультрафиолетовый свет. Затем люминофорное покрытие поглощает энергию ультрафиолетового света и флуоресцирует или превращает невидимый свет в видимый. В люминесцентных лампах свет создается смещенными электронами высокой энергии, которые образуются при подаче электрического тока на газообразную ртуть; тепло создается как побочный продукт этих энергичных электронов. Около 85% энергии, потребляемой люминесцентной лампой, преобразуется в свет. Модель подноса представляет столкновения между электронами и атомами ртути.

Светодиодная лампа содержит несколько различных светоизлучающих диодов, каждый из которых излучает свет от полупроводниковой микросхемы с отрицательно заряженной и положительно заряженной клеммами. Когда электроны движутся от отрицательного к положительному, они сталкиваются с положительно заряженными частицами («дырками») и падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. Капля высвобождает энергию в виде света.

Поскольку светодиоды используют электричество более эффективно, чем два других типа ламп (они преобразуют около 90% света), им требуется гораздо меньше энергии для производства того же количества света, что и лампам накаливания или люминесцентным лампам. Модель подноса представляет столкновения между электронами и дырками. Поскольку тип столкновения различается для каждого типа лампочек, попытка их сравнения может показаться сравнением яблок и апельсинов. Самый простой способ подумать о сравнении — это предположить, что независимо от того, какая лампочка, есть электроны, участвующие в столкновениях, которые производят свет или тепло. Грубо говоря, отношение световых столкновений к тепловыделяющим столкновениям в каждой лампочке объясняет ее эффективность.

ЧТО МОЖЕТ СДЕЛАТЬ НЕ ТАК?

Посетители могут прикоснуться к горячим лампочкам и обжечься. Лампы также могут быть разбиты с образованием острых осколков и возможных опасных отходов (для компактных люминесцентных ламп).

ОБЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ:

Может потребоваться замена лампочек (особенно ламп накаливания).

Дизайн MIT более эффективен, чем светодиоды

Хотя лампы накаливания использовались для освещения домов более сотни лет и до сих пор используются в большинстве стран мира, они смехотворно неэффективны. Это побудило многие правительства полностью отказаться от них, в том числе ЕС, Австралии, Канады, России, а также США. Их место заняли люминесцентные лампы (КЛЛ) и еще более эффективные светодиоды. Однако у команды Массачусетского технологического института есть блестящая идея, которая может обновить нелюбимые лампочки. Они разработали новый тип лампы накаливания, в которой используется фотонный кристалл для повторного использования отработанной энергии. Полученные лампы могут быть более мощными и светоэффективными, чем все, что есть на рынке прямо сейчас.

Экспериментальное устройство, созданное Массачусетским технологическим институтом. Эта новая конструкция лампы накаливания уже более эффективна, чем большинство светодиодов и компактных люминесцентных ламп на рынке. Изображение: MIT

Много тепла за немного света

Лампа накаливания была второй формой электрического света, разработанной для коммерческого использования после угольной дуговой лампы. Сегодня это вторая по распространенности лампа в мире после люминесцентных ламп.

В 1879 году Томас Эдисон и его исследователи в Менло-Парке экспериментировали с различными нитями, такими как углерод, затем платина, прежде чем, наконец, вернуться к углеродной нити. К октябрю 1879 г., команда Эдисона изготовила лампочку с карбонизированной нитью из непокрытой хлопковой нити, которая могла работать в течение 14,5 часов. В конце концов они сорвали джекпот, когда зажгли лампочку, в которой использовалась карбонизированная бамбуковая нить. Он может длиться более 1200 часов.

Хотя конструкция лампы накаливания была изменена и усовершенствована, она мало изменилась со времен Эдисона. Лампы накаливания работают, посылая электрический ток через резистивный материал. Естественно, эта резистивная нить будет выделять много тепла. Атомы в материале поглощают энергию, которая возбуждает электроны вокруг атомов, временно перемещающихся по орбите дальше от ядра. Неизбежно он коллапсирует на более низкую орбиту, выбрасывая энергию в виде фотона.

Вокруг нас постоянно излучается тепло. Нет объекта, который не излучает. Однако мы не можем видеть тепло, пока оно не достигнет нужной интенсивности и нужной длины волны. В лампе накаливания большая часть тепловой энергии (95% и более) излучается в инфракрасном спектре, который чуть ниже видимого света. Остальную часть энергии (менее 5%) можно фактически увидеть, поскольку она излучается в видимом спектре. Это основное объяснение, и оно помогает рассматривать лампочку накаливания как радиатор, который просто излучает свет. Это определенно так же неэффективно, как звучит. С другой стороны, светодиоды как минимум в 10 раз эффективнее, потому что они работают, излучая свет, а тепло — это всего лишь побочный продукт.

В документе, опубликованном в журнале Nature Nanotechnology , подробно описывается новый способ устранить эту ужасную неэффективность и вернуть лампочку накаливания на карту. Их конструкция предполагает типичную накаленную металлическую нить, тепловые потери и все такое. Загвоздка в том, что он окружен специально созданным материалом, который поглощает инфракрасную энергию и излучает ее обратно на нить, где она повторно поглощается и повторно излучается.

Материал представляет собой фотонный кристалл, состоящий из множества элементов, другими словами, дешевый. В основном он состоит из стопки тонких слоев, нанесенных на подложку. «Когда вы соединяете слои с правильной толщиной и последовательностью, — объясняет постдоктор Массачусетского технологического института Огнен Илич, — можно добиться очень эффективной настройки того, как материал взаимодействует со светом».

«Результаты весьма впечатляющие, демонстрирующие яркость и энергоэффективность, которые конкурируют с традиционными источниками света, включая люминесцентные и светодиодные лампы», — говорит Алехандро Родригес, доцент кафедры электротехники Принстонского университета, который не участвовал в этой работе. Полученные данные, по его словам, «предоставляют дополнительные доказательства того, что применение новых фотонных конструкций к старым проблемам может привести к потенциально новым устройствам. Я считаю, что эта работа придаст новый импульс и заложит основу для дальнейших исследований излучателей накаливания, проложив путь к будущему дизайну коммерчески масштабируемых структур».

Помимо энергоэффективности источники света также оцениваются по светоотдаче — показателю того, насколько хорошо источник света излучает видимый свет. Это отношение светового потока к мощности. Световая отдача обычных ламп накаливания составляет от 2 до 3 процентов, светодиодов - от 5 до 20 процентов в зависимости от качества изготовления. Теоретически, фотонно-кристаллические лампы накаливания могут достигать до 40 процентов.

Однако в лаборатории группе удалось достичь только 6,6-процентной эффективности. Однако это предварительный результат, и при дальнейшей настройке он может быть значительно увеличен. Уже кажется лучше, чем большинство КЛЛ и светодиодов.

Исследователи Массачусетского технологического института утверждают, что этот метод «рециркуляции света» может быть применен к другим тепловым системам, таким как термофотоэлектрические элементы. Эти устройства поглощают энергию солнца или какого-либо другого источника, а затем излучают это тепловое излучение в виде света, который улавливается обычной фотогальванической (PV) системой.