Cz 1. Rodzaje oświetlenia a zużycie energii.

Od czasu pierwszej żarówki, doszło do powstania wielu różnych form światła opartego na energii elektrycznej.
Korzystając ze światła płacimy za prąd, więc nie powinno być nam obojętne to ile zużywamy prądu i ile światła zyskujemy.
Cechą naturalną każdego urządzenia jest jego sprawność.
Sprawność to stosunek energii wykorzystanej do całkowitej energii zużywanej.
Niestety nie możliwe jest zgodnie z prawami fizyki to aby udało się pozyskać samo światło za pomocą prądu elektrycznego.

Gdyby tak było, to świat byłby zupełnie inny i niesamowicie tani.
Jedyne co można robić najlepszego w tym kierunku to dążyć do minimalizacji strat prądu.
A tracimy go podczas oświetlania tak samo jak przy każdy innym urządzeniu elektrycznym, w postaci wydzielanego ciepła.
Czasem są to też inne formy strat.
Przy gorszej jakości oświetlenia i w starych żarówkach, można usłyszeć nawet szmer wydobywający się z lampy a energia akustyczna też nie może brać się znikąd zgodnie z zasadą zachowania energii.
Jednak ma to znikome znaczenie w porównaniu do tego jak wiele wydziela się ciepła w stosunku do tych słabych dźwięków.
Dlaczego wydziela się ciepło..? Otóż jest to skutek przepływu prądu. Prąd elektryczny wykorzystywany w naszych domach to przepływ elektronów wzdłuż przewodnika.
Te uwolnione elektrony swobodne nie poruszają się w próżni ale wewnątrz metalowych obwodów, co powoduje ocieranie i stukanie tych elektronów o atomy metalu (najczęściej miedzi)
Przy każdym pocieraniu czy stukaniu wydziela się ciepło. Łatwo można to sprawdzić poprzez pocieranie rąk czy stuaknie młotem o kowadło, co szybko podnosi temperaturę.

Przepływ prądu

Pierwsze żarówki i te, które wciąż są używane w domach, na pewno nie można zaliczyć do energooszczędnych.

Niewiele osób sobie zdaje sprawę z tego jak wiele one tracą energii. Otóż około 5% energii elektrycznej za którą płacimy idzie na oświetlenie a 95% marnuje się w postaci ciepła.

Taka jest niestety zasada działania oświetlenia bazującego na żarzącym się druciku. To działa jak ognisko, musi być tak rozgrzane, żeby dawać światło.

Ciepło uwalniane przez żarówkę jest tak ogromne, że niewiele materiałów jest w stanie to wytrzymać. W tym celu stosuje się wolfram, który to jest metalem o najwyższej temperaturze topnienia. Dzięki temu drut nagrzewa się do ponad 3000 stopni Celsjusza i się nie topi.

żar drutu wolframowego

Pozostaje jednak jeszcze kwestia tego, że samo szkło może się stopić, dlatego każda żarówka wewnątrz jest próżniowa. To uniemożliwia przewodzenie ciepła przez materię. Nie nagrzewa się powietrze, które potem nagrzało by szkło. Jedyna droga jaką ciepło może się przemieszczać to promieniowanie cieplne w próżni.

Dużo czasu minęło do momentu, kiedy ludzie zaczęli szukać lepszych rozwiązań i bardziej oszczędnych. Bo jak unikać strat w postaci ciepła, skoro jedyna wtedy technika polegała na rozgrzewaniu do tak wysokiej temperatury aby doszło do promieniowania tak mocnego, że dla oka ludzkiego jest widzialne jako światło.

Rozwój przemysłu oświetleniowego nie szedł w kierunku oszczędzania. Za to wymyślano coraz to mocniejsze źródła światła do celów oświetlania większych powierzchni.

Lampy halogenowe, dużej mocy, są w stanie oświetlić bardzo dużą przestrzeń za pomocą bardzo mocnego i jasnego światła. Ale tu ciepła wydziela się jeszcze więcej, toteż takie lampy często wykorzystywane są w zimie do pracy, gdyż nie tylko oświetlają ale i mogą ogrzewać zmarzniętych ludzi nawet z odległości kilku metrów.

Lampa halogenowa dużej mocy

Nowoczesna lampa halogenowa

Czym się różni taka halogenówka od zwykłej żarówki?

Czemu świeci tak jasno i czemu wydziela aż tyle ciepła?

Powodów jest kilka:

• Nie ma tutaj próżni a zamiast tego wypełnia się przestrzeń gazem szlachetnym (Hel, neon, ksenon, argon), które to nie reagują z żadnymi pierwiastkami, więc nie ma obawy o zapłon.
• Jednocześnie te gazy szlachetne zmieszane są z jakimś pierwiastkiem z grupy fluorowców, które są fluorescencyjne. Dzięki temu nie tylko świeci żarzący się wolfram ale również pobudzony energią gaz.
• Ostatni powód to sama konstrukcja takiej lampy. W przypadku zwykłej lampy z tradycyjną żarówką, światło rozprasza się na wszystkie strony a w przypadku halogenówki skoncentrowane jest w jedną stronę. Wszystkie promienie, które lecą w inne strony, zostają odbite od powierzchni lustrzanej a to wszystko razem daje bardzo duże wzmocnienie

To wszystko sprawia, że jasność tych lamp należy do największych. Wynosi około osiemnastu lumenów na metr kwadratowy.

To te lampy z jupiterów oświetlają całe stadiony. Te lampy wykorzystywane są przez wojsko czy latarnie morskie i takie lampy montowane są na pojazdach terenowych.

Warto wiedzieć, że halogen oznacza gaz, którym jest wypełniona lampa halogenowa, podczas gdy potocznie halogen oznacza całą lampę halogenową.

Warte uwagi i komentarza są jeszcze inne lampy, które polegają na aktywowaniu energii w gazach szlachetnych.

Są to popularne światła, które oświetlają nam: dworce, szkoły, gabinety i różne większe pomieszczenia a także tworzą świetlne reklamy.

Są to lampy wyładowcze, potocznie zwane też jarzeniówkami lub świetlówkami. Mają tę zaletę, że dają dość dużo światła i nie nagrzewają się tak ja tradycyjne żarówki ani halogenówki.

Jednak jak wszystko inne musi mieć to swoje wady.

Otóż tutaj światło powstaje na zasadzie wyładowań w gazach, którymi są wypełnione.

Każda taka lampa posiada dwie elektrody a różnica potencjałów pomiędzy anodą i katodą powoduje elektryzowanie i wzbudzanie się atomów tych lamp.

Lampy jarzeniowe wypełnione są gazem szlachetnym takim jak argon ale z domieszką ciekłego metalu, jakim jest rtęć. Inaczej się nie da, gdyż metal jest niezbędny do procesu jarzenia a znany jest tylko jeden metal, który przy naszych temperaturach jest cieczą parującą. Więc też jedyny metal, który można mieć w postaci gazu.

To jednak niesie za sobą poważny problem natury ekologicznej, gdyż pierwiastki tak ciężkie jak rtęć są zarazem bardzo szkodliwe dla zdrowia.

Należą jednak one do lamp energooszczędnych, dlatego właśnie tak wykorzystywane są na dworcach czy w przejściach podziemnych, gdzie mają świecić godzinami, przez cały rok a wymiany dokonuje się raz na kilka miesięcy długiej pracy.

Warto też wiedzieć w przypadku takich lamp, że nie tworzą one wcale światła białego, które widzimy. Wyładowanie w argonie daje światło monochromatyczne (jednobarwne) o długości fali odpowiadającej fioletowi i ultrafioletowi (UV) a efekt świecenia na biało uzyskuje się wskutek przejścia przez luminofor.

Dlatego w przypadku takich żarówek nie widzimy nigdy tego co jest w środku a co jest możliwe w przypadku zwykłych żarówek.

Jasna warstwa pokrywająca szkło to właśnie luminofor, który zamienia światło fioletowe, ultrafioletowe i niebieskie na kolor biały.

Nowoczesne świetlówki pokryte jasnym luminoforem

Mieszając barwy można uzyskać nowe kolory. Mieszanka wszystkich kolorów daje kolor biały. Ale nie trzeba korzystać z całej palety barw tęczy, tylko wystarczą 3 podstawowe kolory. Dwa skrajne dla oka ludzkiego: czerwony i fioletowy, oraz jeden pośrodku tęczowej gamy – kolor zielony. To samo co dziś wykorzystuje się w telewizorach i monitorach, czyli technika RGB (red green blue). Każdy pojedynczy piksel na ekranie ma możliwość świecenia tylko w tych trzech barwach. Jednak każda z tych barw może przyjąć tysiące możliwych natężeń a sterowanie elektroniczne potrafi wytworzyć z tego dla oka ludzkiego tysiące rozpoznawalnych barw.

Efekty nakładania się trzech podstawowych barw w systemie RGB

Natomiast jeśli w tego typu lampach zastąpi się argon neonem, to uzyskujemy świecące w innych kolorach lampy neonowe, tzw neonówki. Taka typowa neonówka najlepiej nadaje się na światło reklamowe i do tego przede wszystkim służy.

Współczesna reklama z lamp neonowych

Czemu zatem wiedząc jak duża jest oszczędność współczesnych lamp jarzeniowych, nie wykorzystujemy takich świetlówek w naszych domach?

Otóż był nawet taki projekt Unii Europejskiej aby wycofać z rynku wszystkie stare żarówki i aby od pewnego momentu pojawiły się tylko i wyłącznie świetlówki energooszczędne.

No cóż, współczesny świat oparty na pieniądzu ma to do siebie, że każdy szlachetny cel od razu jest wykorzystywany w celu zysków i opiera się na kłamstwie w celu tworzenia prawa wspierającego największe korporacje.

Chyba możemy się cieszyć, że do takiej rewolucji jeszcze nie doszło i zostało to trochę wstrzymane. Problem polegał na tym, że ustawa najprawdopodobniej opierała się na wielkiej korupcji ze strony największych producentów żarówek na świecie czyli Philips i Osram.

Nie uwzględniono wielu faktów.

• Pierwszy z nich. Czy jeśli żarówka zużywa dziesięć razy mniej energii ale kosztuje dwadzieścia razy więcej pieniędzy, to jaka wtedy jest oszczędność…? Oczywiście to zależy wtedy od czasu eksploatacji takiej żaróweczki.
• Drugi powód, co jeśli będą same świetlówki, wypełnione rtęcią a ludzie nie będą ich składowali w odpowiedni sposób i dojdzie za ileś lat do ogromnej katastrofy ekologicznej. Rtęć w każdym domu i  w każdej szkole, rtęć na każdym podwórku i bardzo dużo rtęci  na wysypiskach, przenikającej do gleby i wód gruntowych. Chyba w celu przeżycia pozostała by nam już tylko ucieczka do miejsc gdzie cywilizacja nie dociera, takich jak syberia. No ale po tylu zsyłkach na Syberię jak byśmy mieli tam uciekać z własnej woli, to dopiero byłby zadziwiający kaprys historyczny.

Na szczęście to jeszcze nie koniec współczesnych technologii oświetleniowych. Furorę robią teraz lampy oparte na diodach świecących, czyli LED – Lighting Emitting Diode, czyli diody emitujące światło.

Te okazują się być najlepsze ze wszystkich. Oparte na technologii, która wcale z założenia nie miała temu służyć. Zaczęło się od diód jako części obwodów elektronicznych, które miały przepuszczać prąd w jedną stronę i blokować w drugą, jako prosty przełącznik i element sterujący.

Następnie zaczęto wykorzystywać półprzewodniki w elektronice a przy tym odkryto ich właściwości kwantowe, które umożliwiały wydzielanie światła.

Jako takie malutkie lampki posłużyły one przede wszystkim do sygnalizacji. Świecą nam diody na komputerze oznajmiając co działa a co nie.

diody świecące LED

Czerwone diody oznajmujące, że coś jest nie tak i zielone, które wskazują, że wszystko jest ok – taki był ich jedyny cel.

Ale szybko się przekonano, że tak uzyskiwane światło jest znacznie tańsze i niż tradycyjne.

Problem w tym był, że diody świecą konkretnym kolorem a nie na biało. Kolor z kolei zależy od materiału wykorzystanego: albo krzem albo german albo też arsenek galu. W dodatku diody są tak malutkie, że na pewno nie zastąpią dużych żarówek.

Trwało to trochę czasu zanim doszło do białego oświetlenia za pomocą tej technologii. Trwało wcześniej niezmiernie długo zanim udało się uzyskać niebieski kolor tą metodą i było to zaledwie kilka lat temu, gdy pojawiły się pierwsze napędy optyczne sterowane laserem – blue ray.

Dopiero kolor niebieski w połączeniu z luminoforem daje możliwość uzyskania światła białego, które przy współczesnym postępie technologicznym spowodowało, że cud techniki sprzed kilku lat jest już powszechny w wielu domach na całym świecie.

Tego typu lampy składają się z wielu małych diodek świecących razem. Ale nawet setki diod świecących nie zużywają tyle prądu co jedna zwykła żarówka.

żarówka LED-owa z widocznymi małymi diodami

Odwołania:

Sprawność energetyczna – wikipedia