Konferencja Naukowo - Techniczna. Sztuka Oświetlania. Elektroenergetyczne urządzenia rozdzielcze. Piła Hengelo Eindhoven maja 2008 r.

Transkrypt

1

2 Konferencja Naukowo - Techniczna Sztuka Oświetlania Elektroenergetyczne urządzenia rozdzielcze Piła Hengelo Eindhoven maja 2008 r.

3 Skład i realizacja: BRAND Studio ul. Chodzieska Piła tel fax mail: info@brand-studio.pl Wydawca: Polski Komitet Oświetleniowy Stowarzyszenie Elektryków Polskich Oddział Koszaliński Koncern Energetyczny ENERGA S.A. Oddział w Koszalinie Zakład Oświetlenia Drogowego Północ Sp. z o.o. Karlino Zaopatrzenie Energetyki Sp. z o.o. Koszalin ŁZE Dystrybucja Sp. z o. o. Philips Lighting Poland S.A. EATON ELECTRIC Polska Sp. z o.o. ENEOS Sp. z o.o. EL-SAD S.J. Otwock

4 Spis treści: Jan Grzonkowski Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej, Polski Komitet Oświetleniowy ODDZIAŁYWANIE LAMP ELEKTRYCZNYCH NA ŚRODOWISKO... 5 Piotr Biczel Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej Arkadiusz Sadowski EL-SAD ZASILANIE PRĄDEM STAŁYM JAKOŚĆ ENERGII W DOMU Bogdan Ślęk Philips Lighting Poland S.A. CZY NADCHODZI KRES UŻYTKOWANIA ŻARÓWKI? Małgorzata Górczewska Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii NOWE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA W ILUMINACJI OBIEKTÓW Paweł Morawski, Daniel Martyn Philips Lighting Poland S.A. WYBRANE METODY REDUKCJI MOCY LAMP WYŁADOWCZYCH Dariusz Szlezak Philips Lighting Poland S.A. INTELIGENTNE OŚWIETLENIE ULICZNE Ryszard Zwierchanowski Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A. (KAPE S.A.) INTELIGENTNE SYSTEMY STEROWNIA OŚWIETLENIEM WARUNEK KONIECZNY RACJONALNEGO ZUŻYCIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ W UE Andrzej Pawlak Centralny Instytut Ochrony Pracy Krzysztof Zaremba Politechnika Białostocka ANALIZA MOŻLIWOŚCI OTRZYMANIA ŚWIATŁA O WYSOKIM WSKAŹNIKU ODDAWANIA BARW EMITOWANEGO PRZEZ DIODY ŚWIECĄCE DUŻEJ MOCY Tomasz Kowalski Philips Lighting Poland S.A. WYKORZYSTANIE NOWYCH TECHNOLOGII VIDEO LED W SPORCIE... 77

5

6 Jan Grzonkowski Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej Polski Komitet Oświetleniowy ODDZIAŁYWANIE LAMP ELEKTRYCZNYCH NA ŚRODOWISKO 1. Wstęp Tytułowe lampy należy rozumieć jako źródła światła wśród których poza żarówkami są lampy ß uorescencyjne (świetlówki), lampy rtęciowe, rtęciowo-żarowe, sodowe nisko i wysokoprężne, lampy metalohalogenkowe, ksenonowe itd. Wszystkie elektryczne źródła światła poza światłem, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali od nm (1 nm = 10-9m) ocenionym wg wrażliwości ludzkiego oka opisanej przez krzywą popularnie znaczoną jako V(λ) rys. 1, promieniują również promieniowanie nadþ oletowe (UV) i promieniowanie podczerwone (IR). V(λ), V'(λ) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 V[λ] λ [nm] λm Rys. 1. Krzywa czułości oka ludzkiego przystosowanego do jasności Z kształtu krzywej widać wyraźnie, że procesu fotobiologicznego widzenia nie wywołuje promieniowanie krótsze niż 380 nm i dłuższe niż 800 nm. Nie oznacza to jednak, że te promieniowania nie są składowymi pełnego widma lamp elektrycznych. Warto tu zwrócić uwagę, że w składzie widma światła dziennego dochodzącego do powierzchni ziemi istnieje (rys. 2) zarówno promieniowanie nadþ oletowe (krótsze niż 380 nm) jak i promieniowanie podczerwone dłuższe niż 800 nm. 5

7 kw 1 m 2 µm 2,5 2,0 a b Gęstość widma natężenia napromieniowania E λ 1,5 1,0 0,5 c d e λ = const. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 µm 1,4 Długość fal λ Rys. 2. Rozkład promieniowania słonecznego: a poza atmosferą ziemską, e dochodzącego do powierzchni Ziemi Podobnie ma się z elektrycznymi źródłami światła, których widma dzięki staraniom twórców lamp elektrycznych są bardziej scentralizowane przy zakresie widzialnym (rys. 3) niż widmo światła dziennego, ale zawierają mniejszą czy większą ilość promieniowania nadþ oletowego lub/i podczerwonego. 1 a Względna moc promieniowania 0,5 b a b c d a d a a Podzakresy promieniowania optycznego naturalnych i elektrycznych źródeł światła: a - światło słoneczne, b - wyładowanie niskoprężne w parach rtęci (Hg), c - świetlówka, d - żarówka głównego szeregu d cos λ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 4,8 5, ,2 UV-C UV-B UV-A VIS 0,8 I - RA 1,4 I - RB 3,0 I - RC mm Rys. 3. Rozkłady promieniowania optycznego niektórych elektrycznych źródeł światła Warto przypomnieć, że zgodnie ze znaną zależnością energia kwantu promieniowania E γ jest tym większa im większa jego częstotliwość γ: E γ = h γ = h c λ (1) 6

8 gdzie: h - jest stałą Plancka, c szybkością światła. Oznacza to, że im mniejsza jest długość fali promieniowania λ tym kwant tego promieniowania jest bardziej energiczny może dysponować energią dostateczną do wywołania w napromieniowanym ciele żywym reakcji fotobiologicznej lub w materiale reakcji fotochemicznej (reakcji chemicznej w wyniku pochłonięcia promieniowania). Kwanty nie spełniające tego warunku padając na ciało oddają energię ogrzewając je (dotyczy to w szczególności kwantów IR). Dla każdej reakcji fotochemicznej istnieje pewna graniczna długość fali powyżej której kwanty sa zbyt mało energiczne by wywołać tą reakcję. Wszystkie kwanty promieniowania o krótszej niż graniczna długość fali są dostatecznie energiczne, ale o paśmie użytecznym decyduje rodzaj napromieniowanego ciała lub materiału i jego widmowa wrażliwość na promieniowanie. Podobnie jak w przypadku czułość ludzkiego oka dla innych reakcji fotobiologicznych i fotochemicznych istnieje dolna granica długości fal zdeþ niowana właściwościami fotochemicznych napromieniowanego związku chemicznego. Tak więc każdy napromieniowany materiał charakteryzuje się krzywą wrażliwości aktynicznej (widmo czynne aktynicznie). Aktynicznością nazywamy właściwość promieniowań optycznych polegającą na wywołaniu przemian chemicznych w pewnych rodzajach materii żywej lub nieożywionej. Dobrze znanymi przykładami aktyniczności są: - brązowienie (opalanie) skóry ludzkiej, - żółknięcie papieru poddanemu intensywnemu napromieniowaniu światłem dziennym. Działaniem aktynicznym jest również proces widzenia (zmiany Þ zyko-chemiczne) barwników zawartych w detektorach siatkówki oka. Efekty aktyniczne promieniowań mogą mieć charakter: a) dobroczynny dla napromieniowanego obiektu, np. z bardziej znanych wywołanie procesu widzenia i widzenia barw, pigmentacji (opalanie) skóry, fotosynteza, czyli tworzenie zielonej masy rośliny, b) destrukcyjny dla napromieniowanego obiektu np. znane fotochemiczne λ poparzenie skóry zwane fachowo erytemą, zapalenie spojówek czy odbarwienie, żółknięcie papieru czy żółknięcie białych rozpraszających odbłyśników opraw (tab. 2). Niektóre uznawane przez człowieka za dobroczynne skutki napromieniowania chętnie wykorzystujemy, wykonując specjalne źródła promieniowania (krewni źródeł światła). Do nich należą m. in. lampy typu: - Flora źródło fotosyntezy roślin, - lampa bakteriobójcza stosowana do dezynfekcji wody, powietrza, - źródła do krótkotrwałego napromieniowania noworodków w celu likwidacji żółtaczki poporodowej, - źródła stosowane w technikach reprodukcyjnych obrazów, - źródła stosowane w sadach do nęcenia, współpracujące z urządzeniami do likwidacji owadów, - źródła stosowane w rybołówstwie do nęcenia ryb, - specjalne źródła stosowane w różnych procesach technologicznych np. przy produkcji (syntezie) niektórych tworzyw sztucznych. 7

9 Uszkodzenie skóry Poparzenia skóry żywych Niszczenie organizmów Fotosynteza Widzenie i reakcja na światlo Synteza witaminy D Wywoływanie nowotworów Niszczenie bakterii i wirusów Fotouczulenia Nagrzewanie Łagodzenie i leczenie chorób Fotoalergia Smog fototoksyczny Mutacje genetyczne Rys. 4. Wybrane dobroczynne i destrukcyjne skutki napromieniowania Przydatne lub niebezpieczne efekty (skutki) aktyniczne przedstawia rys. 4. Efekty reakcji aktynicznych mogą: - ujawniać się natychmiastowo i błyskawicznie ustępować jak to ma miejsce w procesach widzenia i widzenia barw dzięki tej właściwości możliwe jest dostrzeganie kolejnych obrazów tworzących rejestrowany przez oko Þ lm, - ujawniać się stosunkowo szybki i niezbyt szybko ustępować np. brązowienie skóry (opalenizna) w tym przypadku możliwe jest sumowanie skutków kolejnych napromieniowań jeśli następne napromieniowanie następuje przed (a tak zwykle bywa) całkowitym ustąpieniem skutków napromieniowania poprzedniego (taka superpozycja skutków aktynicznych może doprowadzić do przekroczenia granicy dopuszczalnej - nie ustępowanie w całości skutków rozpatrywanego efektu fotobiologicznego, mogą zaś wystąpić inne skutki fotobiologiczne np. w wyniku nadmiernie częstego i intensywnego opalania reakcja przedwczesnego starzenia skóry (powstanie głębokich wżerów w skórze) lub pojawienie się nowotworów skóry, - praktycznie nie ujawniać się bezpośrednio po każdym napromieniowaniu, lecz dopiero po kilku, kilkunastu czy nawet kilkudziesięciu latach intensywnych napromieniowań np. epidemiologiczne, - w swoim wymiarze występowanie nowotworów skóry na szyjach i plecach rybaków, łowiących w streþ e podzwrotnikowej. SpecyÞ ką organizmów żywych jest to, że równolegle choć z różną prędkością mogą w nich w wyniku tego samego napromieniowania przebiegać różne reakcje fotobiologiczne, np.: 8

10 - w skórze ludzkiej pigmentacji i rumienia (erytemy), - w oku ludzkim widzenie w wyniku reakcji fotobiologicznych w siatkówce oka i fotochemiczne zatrucie tej samej siatkówki światłem niebieskim (Blue Light Hazard), zapalenie spojówki, zapalenie rogówki w wymienionych elementach oka, - w roślinie: fotosynteza w liściach, fototropizm maksymalne wykorzystanie w każdym momencie światła słonecznego. Z przedstawionych różnic w ujawnieniu się reakcji wynika, że każdej reakcji należy przedstawić inne wymagania jakościowe i ograniczenia ilościowe o czym będzie mowa w rozdziale Wielkości i jednostki promieniowania aktynicznie czynnego Na wstępie przypomnijmy najbardziej znaną reakcje fotobiologiczną zachodzącą w oku ludzkim. Dla opisu ilościowego promieniowania wywołującego w przeciętnym, standardowym oku ludzkim wrażenie światła koniecznym było: - ustalenie krzywej względnej wrażliwości oka na promieniowania o różnych długościach fal zwanej fachowo krzywą skuteczności świetlnej widmowej względnej i oznaczonej symbolem V(λ) (norm PN-90/E 01005). Technika Świetlna Terminologia (rys. 1). W celu wyznaczenia tej krzywej trzeba było wyizolować z widma światła białego promieniowania monochromotyczne o wąskim i znanym przedziale długości fal i wykonać dla wielu obserwatorów badanie ile watów poszczególnych promieniowań wywołuje w oku ludzkim ten sam efekt w postaci wrażenia równej ilości światła, - przyjęcie układu wielkości i jednostek uwzględniającego wrażliwość oka ludzkiego V(λ), którego podstawą jest zależność określająca strumień świetlny ФV będący niczym innym jak mocą promieniowania ocenioną wg wrażliwości oka V(λ), a więc mocą promieniowania użyteczną dla procesu widzenia: (2) Ф V = km 0 dφe(λ) d λ V(λ) d λ gdzie: dφe(λ) d λ - jest rozkładem widmowym strumienia energetycznego (mierzonego w Watach) źródła światła Współczynnik km przenosi wartość mocy użyteczną z układu energetycznego, gdzie jednostką jest Wat do układu fotometrycznego, gdzie jednostka jest w lumenach. W ogólnym przypadku reakcji fotobiologicznych i fotochemicznych wprowadzamy podobnym wzorem pojęcie strumienia użytecznego rozważanego (i-tego) procesu aktynicznego: dφe(λ) Ф akt.i = km S(λ) d λ 0 d λ (3) gdzie: S(λ) - jest krzywą czułości przedmiotu nieożywionego lub organizmu napromieniowanego na skutki rozważanego procesu (rys. 5). 9

11 S biol. real (λ) 1,0 tr pl 0,5 bi 0 λ [nm] 550 S biol. real (λ) 1,0 0,5 0 mo ch sy 730 mo 660 ch sy λ [nm] 800 1,0 S biol. real (λ) 0,5 0 ko ba ko or λ [nm] 800 tr - fototropizm bi - dysycjacja bilirubiny sy - fotosyntezy mo - fotomorfogenczy ko - koniunktywalna ba - bakteriobójcza er - erytemalna Rys. 5. Krzywe czułości aktynicznej niektórych ważnych reakcji fotobiologicznych Uwaga: wyznaczenie krzywej S(λ) dla wybranej reakcji bywa niekiedy bardzo trudne, gdyż w przypadku zwierząt, roślin lub materiałów nieożywionych odpowiedź na pytanie jaką masz wrażliwość na promieniowanie o długości fali (λ) z rozważanym procesem aktynicznym uzyskać można wykonując mniej lub bardziej skomplikowane pomiary, np. pomiar przyrostu zielonego masy rośliny w wyniku procesu fotosyntetycznego poprzez ważenie kolorymetryczne barwy nawierzchni w procesie fotodestrukcji powierzchni napromieniowanej kartki papieru bądź zmiana ilości bakterii w dezynfekowanej wodzie lub powietrzu i wiele innych trudniejszych procesów pomiarowych. Pochodną strumienia energetycznego użytecznego Φakt.i jest wielkość określająca intensywność napromieniowania zwana natężeniem napromieniowania Ee akt.i określonego zależność(?) (4) Ee akt.i = dφ akt i da gdzie : da - jest powierzchnią (mierzoną w metrach, na którą pada strumień energetyczny dφ akt i - mierzone w Watach użytecznych reakcji aktynicznej oznaczonej numerem i. 10

12 Kolejną powszechnie wykorzystywaną wielkością układu wielkości promieniowań aktynicznych jest napromienienie He: (5) He = Ee akt. i dt Δt Napromienienie mierzy się więc w Watach (użytecznych w reakcji i ) padających na 1 m 2 napromieniowanego ciała pomnożonych przez ilość sekundy napromieniowania s, czyli w J. Joulach użytecznych napromieniowujących przez czas t 1 m 2 ciała (J uz i ٠ m -2 ). Wielkość tą opisującą ilości energii użytecznej (dla reakcji oznaczonej literą i ) podając na jednostkę powierzchni przez ściśle określony czas napromieniowania często nazywa się dawką aktyniczną. Można oczekiwać, że skutki reakcji aktynicznych, które natychmiast zanikają opisywać będziemy stosując pojęcie natężenia napromienienia reakcji, zaś reakcji w których zachodzi superpozycja skutków przy pomocy napromienienia czyli dawki. 2. Potencjalne zagrożenie użytkownika promieniowaniem optycznym źródeł światła Dzięki ochronnemu działaniu atmosfery ziemskiej, zwłaszcza warstwy ozonowej do powierzchni ziemi nie docierają obdarzone dużą energią kwanty promieniowania o długościach fal mniejszych niż ok. 315 nm i w związku z tym organizmy żywe w tym organizm człowieka w procesie ewolucji nie wytworzyły mechanizmów ochronnych przed tym promieniowaniem. Krótkie promieniowanie optyczne (szczególnie UVC, ale również UVB i UVA, a nawet promieniowanie widzialne Þ oletowe i niebieskie) w dużych dawkach działają destrukcyjnie m.in. na organizm człowieka: - na oczy, powodując zapalenie spojówki i rogówki, oparzenia i fotochemiczne zatrucie siatkówki światłem niebieskim (BLH) oraz zmętnienie soczewki oka zwane kataraktą, - na skórę, wywołują fotochemiczne poparzenie skóry zwane erytemą (znane z plaży bąble na skórze), a w skrajnych przypadkach przedwczesne starzenie skóry lub nawet nowotwory skóry. W Polsce ok. 5% energii promieniowania optycznego dochodzącej od słońca do powierzchni ziemi to energia promieniowań wywołujących reakcje fotochemiczną i fotobiologiczną. Te 5% można uznać energię działającą dobroczynnie. Większe dawki tego promieniowania, a szczególnie promieniowań UVC, UVB, do których organizmy żywe nie przystosowały się działają: - zabójczo na mikroorganizmy, - destrukcyjnie na organizmy wyższe w tym rośliny, zwierzęta i człowieka, - niszczą materiały np.: zmniejszając plastyczność i elastyczność materiałów budowlanych i tworzyw sztucznych, powodując zmętnienie materiałów przezroczystych, odbarwienie farb, lakierów, materiałów tekstylnych i papieru. Skutki destrukcyjnego działania UVB i UVC są w dużym stopniu blokowane przez warstwy szkła sodowo-wapniowego takiego jak szyby okienne, niektóre klosze opraw itp. Problemem konstruktorów źródeł światła jest świadome ograniczenie w ich widmie 11

13 promieniowań UVC i UVB. Uzasadnieniem są krzywe czułości aktynicznej podane na rys. 5, z których wynika, że promieniowanie nadþ oletowe pasma UVB ( nm) i UVC ( nm) działając silnie fotochemicznie na komórki i związki białkowe znajdujące się w skórze i oku człowieka są promieniami destrukcyjnymi Działanie nadþoletu na oko ludzkie A ciecz wodnista tęczówka rogówka mięsień rzęskowy siatkówka soczewka dołek środkowy ciało szkliste naczyniówka twardówka nerw wzrokowy ciało rzęskowe spojówka rogówka soczewka akomodacja przy widzeniu z daleka tęczówka zatoka żylna twardówki obwódka rzęsowa akomodacja przy widzeniu z bliska B siatkówka Rys. 6. Budowa gałki ocznej (a) i jej zewnętrznej części (b) Promieniowanie nadþ oletowe krótsze niż 290 nm (a więc w całości nadþ olet UVC) jest pochłaniany w nabłonku rogówki i spojówki oka, fale dłuższe (prawie cały nadþ olet UVB) wnikają do wnętrza tych tkanek. To właśnie nadþ olet B jest odpowiedzialny za skutki fotobiologicznych reakcji odbywających się w tkankach rogówki i spojówki wywołując objawy zapalne przy czym objawami zapalenia rogówki są światłowstręt, wzmożone łzawienie, uczucie obcego ciała (piasku) pod powiekami, spazmom powiek, a niekiedy upośledzeniem widzenia. Objawami zapalenia spojówki są zaróżowienie lub zaczerwienienie spojówki, swędzenie, pieczenie, łzawienie, światłowstręt a przy dużych dawkach ból i zakłócenie prawidłowego widzenia. Na rys. 7 przedstawiono krzywe skuteczności aktynicznej zapalenia spojówki i rogówki. 1,0 0, λ [nm] Rys. 7. Krzywe czułości aktynicznej reakcji zapalenia spojówki i zapalenia rogówki 12

14 Promieniowanie nadþ oletowe dłuższe niż 300 nm dociera do soczewki, w której jest silnie pochałaniane. (rys. 8) ciało szkliste 2 źrenica % absorpcji długość fali (/nm) < soczewka naczyniówka rogówka ciecz wodnista Rys. 8. Pochłanianie promieniowania optycznego przez różne elementy struktury oka Promieniowanie dłuższe niż 300 nm jest silnie pochłaniane w soczewce i może ono w wyniku reakcji fotobiologicznej przekształcać rozpuszczalne białka soczewki w białka nierozpuszczalne, co prowadzi do powstania zaćmy (nieostrego widzenia jako wyniku rozproszenia światła w soczewce). Największa skuteczność wywoływania zaćmy w soczewce oka człowieka ma nadþ olet pasma nm. Siatkówka naczyniówki oka są dobrze chronione przed promieniowaniem nadþ oletowym dociera do niej mniej niż 1% promieniowania nadþ oletowego (głównie długofalowego i z tego powodu można uznać brak destrukcyjnego wpływu promieniowania UV na siatkówkę. Siatkówka zagrożona jest jednak przez światło, które jak to widać na rys. 8 dociera do dna oka i tam jest pochłonięte. Promieniowanie o długości fal nm o relatywnie dużej energii kwantowej może wywołać reakcje fotobiologiczną zwaną fotochemicznym uszkodzeniem siatkówki. Skutki tej reakcji są widoczne jeżeli naświetlanie dna oka światłem niebieskim trwa dłużej niż 10 sekund lub jeżeli naświetlenie jest wielokrotnie powtarzane. Jeżeli ekspozycja siatkówki jest krótsza niż 10 sekund to następuje termiczne poparzenie siatkówki. Wielokrotne częste ekspozycje siatkówki na światło niebieskie mogą prowadzić do jej trwałej (nieodwracalnej) degeneracji co jest np. często występującą chorobą niefrasobliwych spawaczy. Aby uniknąć przykrych skutków wymienionych reakcji fotobiologicznych trzeba w interesie użytkowników światła (w tym światła elektrycznego) postawić zabezpieczające ich wzrok ograniczenia w napromieniowaniu oczu promieniowaniem UV i światłem. Ograniczenia te podano poniżej. 13

15 2.2. Działanie promieniowania optycznego na skórę ludzką Przekrój skóry człowieka podano na rys. 9 UV światło IR grubość (mm) naskórek skóra właściwa tkanka podstawowa Rys. 9. Przekrój skóry ludzkiej i głębokości wnikania promieniowania optycznego o różnych długościach fali Naskórek i skóra ludzka całkowicie pochłania promieniowanie nadþ oletowe, w przeważającej części światła widzialne i około 80% promieniowanie czerwone i podczerwone o długości 1000 nm. Do skutków napromieniowania skóry promieniowaniem nadþ oletowym należą: rumień (erytema) i pigmentacja. Objawami erytemy, czyli fotobiologicznego oparzenia skóry są: - zaczerwienienie skóry (objaw pierwszy), - obrzęk skóry (pęcherze) objaw drugi. W procesie erytemy wyróżnia się po napromieniowaniu okres utajnienia (1 do 6 godzin) i okres narastania skutków (od 6 do 24 godzin po ekspozycji). Dopiero po 24 godzinach można mieć pewność, że niezamierzone naświetlenie skóry (np. rąk użytkownika lampy biurkowej z żarówką halogenową) lub świadome naświetlanie promieniami promieniami słonecznymi lub promieniowaniem lamp solaryjnych, nie pociągnęło skutków erytemy. Na rys. 10 przedstawiono krzywą czułości aktynicznej wrażliwej skóry ludzkiej na promieniowania o różnych długościach fal. Reakcja erytemalna ma właściwość sumowania skutków kolejnych naświetleń co w języku potocznym można nazwać posypywaniem solą istniejącej już rany. Z drugiej strony jeżeli kolejne napromieniowania zdystansować w czasie tak by uległy zaleczeniu skutki pierwszego napromieniowania osiągnąć można uodpornienie skóry na promieniowanie nadþ oletowe temu służy występująca równolegle 14

16 erytema pigmentacja (nm) Rys. 10. Krzywe czułości aktynicznej procesów fotobiologicznych: erytemy i pigmentacji pigmentacja skóry. Istnieje jednak poważna groźba w przypadku długotrwałego napromieniowania nadþ oletem o dużym natężeniu w postaci uszkodzenia lub nawet zaniku tkanki naskórka. W konsekwencji przyspiesza to procesy leżące u podstaw przyspieszonego starzenia skóry oraz tworzy warunki do powstawania zmian nowotworowych. Na rys. 11 podano mocno prawdopodobną krzywą czułości reakcji aktynicznej wywołującej raka skóry. Skutkami nadmiernego napromieniowania skóry promieniowaniem widzialnym i towarzyszącym mu zwykle promieniowaniem IR są: - oparzenie skóry (trwałe jeśli temperatura skóry przekroczy ok. 50û C, - rozszerzenie naczyń krwionośnych, - pojawienie się trwałych siateczkowych przebarwień skóry i odbarwień po kilkuletniej ekspozycji. 1.0 skuteczność względna długość fali [nm] Rys. 11. Krzywe czułości aktynicznej procesów fotobiologicznych: erytemy i pigmentacji 15

17 2.3. Przepisy dotyczące ograniczenia napromieniowania Przepisy polskie określone są w Rozporządzeniu Ministra Pracy, Płacy i Spraw Socjalnych. Przepisy dotyczą promieniowania nadþ oletowego działającego na skórę (napromieniowanie użyteczne erytemalnie) i oka (napromieniowanie użyteczne koniunktywalne, czyli wywołujące zapalenie spojówki lub rogówki oka). Najwyższa dopuszczalna wartość użytecznego napromieniowania erytamelnego (dawka) wynosi w ciągu 8 godzin dnia pracy 30 J/m -2 bez względu na powtarzalność ekspozycji. Najwyższa dopuszczalna wartość użyteczna napromieniowania koniunktywalnego w ciągu 8-godzinnego dnia pracy wynosi: 30 J/m -2 jeżeli narażenie oczu na UV nie powtarza się w dniu następnym i 18 J/m -2 w przypadku ekspozycji powtarzających się w kolejnych dniach. Dotyczy promieniowania podczerwonego działającego na: - oko najwyższe dopuszczalne średnie natężenie napromienienia użytecznego nie przekracza 150 W/m 2 przy czym dotyczy to nieprzerwanej ekspozycji dłuższej niż 1 minuta, - skóra najwyższe dopuszczalne średnie natężenie napromienienia użytecznego nie przekracza 700 W/m 2. Przy ekspozycji oka na podczerwień dowolnej długości fali działającej przez czas krótszy niż 1 minuta ustala się z zależności chwilowe natężenie napromienienia wyznacza się ze wzoru. E = at 1/2 (6) gdzie: t czas narażenia w sekundach a stała wynosząca 1200 W s1/2m -2 w odniesieniu do oka oraz 5600 Ws 1/2 m -2 w odniesieniu do skóry 2.4. Realność zagrożeń skóry i oczu użytkownika oświetlenia elektrycznego Wiedza o potencjalnych zagrożeniach wykorzystywana jest przez konstruktorów źródeł światła. W efekcie realne ryzyko użytkowników jest minimalne. Warto podać, że zgodnie z ustaleniami komitetu Technicznego TC 34 IEC: spośród źródeł oświetlenia ogólnego, zagrożenie promieniowaniem nadþ oletowym stwarzają jedynie halogenowe lampy wolframowe w tym żarówki halogenowe i niektóre lampy metalohalogenkowe z jarznikiem kwarcowym. Te lampy muszą być znaczone jako potencjalnie zagrażające użytkownikowi. W konstrukcji większości tych lamp produkowanych przez odpowiedzialnych producentów wprowadzono rozwiązania i materiały pozwalające na znaczenie ich symbolem braku istotnych ilości UV np. UV STOP itp. Groźne mogą być jedynie produkty, które pojawiają się nielegalnie na rynku bez spełnienia przepisów krajowych w sprawie zagrożenia promieniowaniem UV. 16

18 3. Destrukcyjne oddziaływanie światła elektrycznych źródeł światła na zdrowie, bezpieczeństwo i komfort ich użytkownika Promieniowanie optyczne zakresu fal um umożliwia widzenie brak światła oświetlającego oznacza brak możliwości dostrzegania. Ta dobroczynna reakcja fotobiologiczna może jednak być zakłócona przez fakt pojawienia się w polu widzenia przedmiotów o wysokiej luminancji (rys. 12) Rys. 12. Problem olśnienia Źródło światła z jednej strony umożliwia dostrzeganie, z drugiej zaś może je utrudniać w wyniku zjawiska zwanego fachowo olśnieniem określanego w języku potocznym jako stan oślepienia Destrukcyjny wpływ oświetlenia na bezpośrednich jego użytkowników Obowiązkiem: - projektantów opraw oświetleniowych jest tak zaprojektować oprawy by zminimalizować ich luminancje pod kątami większymi niż 70º licząc od skierowanej w dół osi przechodzącej przez środek świetlny oprawy, - projektantów oświetlenia jest tak zaprojektować system oświetlenia by obserwator z normalnej pozycji obserwacji kierujący oś widzenia poziomo nie odczuwał olśnienia będącego skutkiem: niewłaściwego wyboru opraw, niewłaściwego ich rozmieszczenia - wymaganie to sprawdza się do spełniania wymagań normy: PN-EN dotyczących dopuszczalnych wartości Lα w kątach α = 70º, 80º oraz wartości ujednoliconego wskaźnika olśnienia UGR, PN-EN dotyczących dopuszczalnych wartości Lα oraz wartości wskaźnika TI. Podane wymagania dotyczą uniknięcia olśnienia przez bezpośrednich użytkowników oświetlenia (we wnętrzach biurowych i przemysłowych) i są to zatrudnieni tam pracownicy, we wnętrzach użyteczności publicznej zatrudnieni tam pracownicy oraz osoby korzystające z tych wnętrz (np. pacjenci w szpitalu, dzieci w szkole itp., na drogach kierowcy, rowerzyści i piesi). W ostatnich latach coraz większą uwagę zwraca się na problem zakłócania światłem życia innych osób niż wymienieni bezpośredni użytkownicy oświetlenia, 17

19 czyli zakłócenia środowiska. Dotyczy to głównie zakłóceń światłem odbieranych przez mieszkańców budynków położonych przy drogach, obiektach, terenach przemysłowych i magazynach. Zjawisko to nazywane jest zanieczyszczeniem lub imisją światłem Zanieczyszczenie imisja światłem Zjawisko wiąże się z dwoma uciążliwościami: - rozświetleniem w porze nocnej niezależnie od woli użytkownika strefy mieszkalnej domu (sypialni, pokoju dziennego, tarasu czy balkonu), - uciążliwym olśnieniem przypadkowego obserwatora (użytkownika mieszkania lub biura, szkoły, szpitala) przez źródła światła o wysokiej luminancji nawet jeżeli to źródło znajduje się w dużej odległości i nie wywołuje w rozpatrywanym wnętrzu znaczącego rozświetlenia Rozświetlenie Uciążliwości związane z rozświetleniem opisywane są poprzez natężenie oświetlenia światłem rozproszonym padającym zewnątrz okna, taras lub balkon. To rozświetlenie jest konsekwencja światła rozproszonego w atmosferze będącego wynikiem zarówno nieuniknionego odbicia do góry światła od powierzchni, które powinny być oświetlone, ale co gorsza wynikiem stosowania rozpraszających światło kloszy opraw (kule mleczne), niewłaściwych świecących na zewnątrz przez okna opraw oświetlenia wewnętrznego, odbijających światło do góry lub świecących do góry tablic reklamowych, bilbordów. W tabeli 1 i 2 podano w ślad za (...) Publikacją niemieckiego stowarzyszenia oświetleniowego LITG graniczne dopuszczalne wartości natężenia oświetlenia na oknach domów, tarasach i balkonach przez systemy oświetlenia drogowego i wszystkie pozostałe źródła rozświetlania. Tabela 1 dotyczy światła stałego w czasie o barwie światła białej bądź zbliżonej do białej (światło lamp sodowych wysokoprężnych uważa się jeszcze za zbliżone do światła białego), włączanego kilkakrotnie w ciągu tygodnia, świecącego każdorazowo dłużej niż przez jedną godzinę. Jeżeli światło to włączane jest rzadziej lub krócej eksploatowane tzn. np. włączane za pomocą czujnika ruchu, Tabela l. Graniczne dopuszczalne wartości natężenia oświetlenia EF[lx] na oknach domów, tarasach, balkonach, wywołane przez urządzenia oświetlenia zewnętrznego (z wyłączeniem oświetlenia drogowego w porze ciemnej [1]) Miejsce imisji /Rodzaj terenu/ Miejscowości wypoczynkowe: uzdrowiska, szpitale, zakłady, opieki zdrowotnej Tereny mieszkalne, małe osiedla, tereny wiejskie, tereny wypoczynkowe Tereny mieszane Tereny przemysłowe Natężenie oświetlenia E F [lx] 6h..20h 20h..22h 22h..6h /2.5 3/1.5 1/

20 Tabela 2. Graniczne dopuszczalne wartości natężenia oświetlenia EF[lx] na oknach domów, terasach, balkonach wywołane przez oświetlenie drogowe w zależności od luminancji nawierzchni drogi Luminancja nawierzchni drogi [cd/m 2 ] Natężenie oświetlenia [lx] 0,3 3 0, , należy przeprowadzić odrębne pomiary, przy uwzględnieniu czasu i częstotliwości włączania, oświetlenia otoczenia, zwyczajów miejscowych oraz w szczególności możliwości zmniejszenia uciążliwego działania. Po wykonanie pomiarów można określić graniczne dopuszczalne wartości natężenia oświetlenia EF (wyższe lub niższe niż wskazane w tabeli 1). Urządzenia oświetleniowe, działające nie wolniej niż w rytmie 5-minutowym, uważa się za źródło światła stałego. W przeciwnym wypadku mamy do czynienia ze światłem zmiennym, będącym bardziej uciążliwym niż światło stałe. Badania [20] wskazują, że częstotliwość błysku imitującego źródła światła ma istotne znaczenie przy ocenie uciążliwości. Większa uciążliwość światła zmiennego może zostać uwzględniona przy ocenie oświetlenia pomieszczenia w przybliżeniu przez współczynniki o wartościach pomiędzy 2 i 5, o które należy obniżyć podane wartości graniczne natężenia oświetlenia EF. Zanieczyszczenie środowiska naturalnego rozproszonym światłem kolorowym, które jest bardziej uciążliwe dla otoczenia niż światło białe może być uwzględnione przy ocenie oświetlenia zakłócającego przy użyciu współczynnika 2, o który obniża się wartości graniczne natężenia oświetlenia EF. Przy nowych urządzeniach oświetleniowych należy uwzględniać wskazane wartości. W przypadku urządzeń już istniejących przekroczenia wskazanych norm należy korygować tylko wtedy, kiedy występują sprzeciwy mieszkańców i jeśli nakłady z tym związane mieszczą się w odpowiednich ramach. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu podane zostały wartości średniej luminancji na drodze w zależności od kilku czynników. Zależnie od wartości projektowanej luminancji nawierzchni jezdni drogi w tabeli 2 podane zostały wartości ograniczające natężenie oświetlenia EF w płaszczyźnie okien okolicznej zabudowy. W przypadku umiejscowienia źródeł światła w bezpośrednim pobliżu ściany domu wartości te nie w każdym przypadku zostaną zachowane przy obecnych rozwiązaniach technicznych. Pomiarów wartości imisji światła należy dokonywać w określonym czasie i o właściwej porze (deszcz, śnieg lub mgła mogły zakłócić wyniki pomiarów. Miejscem imisji do określania natężenia oświetlenia jest płaszczyzna okna najbardziej naświetlonego w pomieszczeniach mieszkania. Na tarasach i balkonach mierzy się natomiast pionowe natężenie oświetlenia na ścianach bocznych. Przy miejscowo zróżnicowanych wartościach natężenia oświetlenia na jednym oknie jako podstawę obliczeń przyjmuje się wartość maksymalną natężenia oświetlenia. W przypadku okien otwieranych pomiarów dokonuje się przy otwartym oknie lub na zewnątrz bezpośrednio przed szybą. Przy oknach, które nie są otwierane natężenie oświetlenia mierzy się wewnątrz pomieszczenia za szybą. Udział w oświetleniu innych źródeł światła eliminuje się poprzez ich wygaszanie 19

21 lub pomiar polegający na ustaleniu różnicy pomiędzy łącznym natężeniem oświetlenia oraz natężeniem ze źródeł nie wchodzących w pojęcie innych źródeł światła Olśnienie przypadkowego obserwatora Analiza wykazuje, że istotnym dla wygody przypadkowego obserwatora rodzajem olśnienia jest olśnienie przykre, tzn. takie, które wywołuje uczucie przykrości bez utrudniania (przeszkadzania) w procesie widzenia. W tabeli 3 podano w charakterze przykładu wartości maksymalnej dopuszczalnej luminancji średniej źródła światła lub oprawy dla różnych wartości powierzchni pozornej źródła o dużej luminancji FF (m 2 ) i odległości R(m) pomiędzy źródłem olśniewającym i miejscem zakłócenia. Dane w tabeli wyznaczone są przy przyjęciu średniej luminancji otoczenia równej 0,1 cd/m 2 i współczynnika k służącego do określenia maksymalnej dopuszczalnej wartości średniej luminancji źródeł światła w porze ciemnej dla różnych obszarów imisji: - miejscowości wypoczynkowe, uzdrowiska, szpitale; - tereny mieszkalne, wiejskie, wypoczynkowe; - tereny o funkcjach mieszanych; - tereny przemysłowe. Tabela 3. Wartości maksymalnej luminancji średniej według równania (1) z k = 32 i Lu = 0,1 cd/m 2 F p [m 2 ] 0,01 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 L max [cd/m 2 ] R=25 R=50 R=100 R=200 2,5*10 3 1,1*10 3 8,0*10 2 5,7*10 2 4,6*10 2 4,0*10 2 3,6*10 2 5,1*10 3 2,3*10 3 1,6*10 3 1,1*10 3 9,2*10 2 8,0*10 2 7,2*10 2 1,0*10 3 4,5*10 3 3,2*10 3 2,3*10 3 1,8*10 3 1,6*10 3 1,4*10 3 2,0*10 3 9,1*10 3 6,4*10 3 4,5*10 3 3,7*10 3 3,2*10 3 2,9*10 3 Problem imisji światłem powoli zmierza do zalegalizowania prawnego w przepisach budowlanych. Trzeba oczekiwać, że w niedługim czasie będziemy zmuszeni modernizować instalacje oświetlenia zewnętrznego pod presją reakcji i skarg osób mimowolnie poddawanych zjawisku ich życia niechcianym światłem. BibliograÞa: 1. PN-90/E technika świetlna. Terminologia. Jerzy Pietrzykowski Pomiary promieniowania optycznego Technika świetlna `96. poradnik informator, s Stanisław Marzec Ekologiczne aspekty optycznego promieniowania źródeł światła Materiały konferencyjne Światło dla miasta i domu Polski Komitet Oświetleniowy SEP. Warszawa, listopad Charles C.E. Meulemans BeneÞ cial effects of optical radiation referat niepublikowany na Krajową Konferencję Oświetleniową PKOśw SEP Warszawa, październik Code for interior lighting 1994 The Charted Institution of Building Services Engineers London,

22 5. Publikacja CIE nr 12.2 (1997). Zalecenia dotyczące oswietlenia dróg dostosowanych do ruchu pojazdów. 6. Publikacje CIE nr 31 z (1976 r.). Olśnienie i równomierność w instalacjach oświetlenia drogowego. 7. Projekt normy Europejskiej CEN / TC 169 (1996) 8. Poradnik-Informator Techniki Świetlnej Norma PN-EN Oświetlenie miejsc pracy we wnętrzach. 10. Norma PN-EN Oświetlenie dróg 11. Hanna Leszczyńska Zanieczyszczenie imisja światłem na prawach rękopisu. 21

23 22

24 Piotr Biczel Instytut Elektroenergetyki Politechniki Warszawskiej Arkadiusz Sadowski EL-SAD ZASILANIE PRĄDEM STAŁYM JAKOŚĆ ENERGII W DOMU 1. Wstęp Każdy z nas ma w domu coraz więcej urządzeń elektrycznych. To znak rozwoju. Udowodniono bowiem zależność pomiędzy poziomem życia a stopniem elektryþ kacji i konsumpcji energii elektrycznej. Niedawno mieliśmy w domach głównie żarówki, lodówkę, prostą pralkę, może telewizor. Dzisiaj w każdym mieszkaniu można znaleźć wiele urządzeń elektrycznych. Otaczają nas w coraz większej liczbie. W kuchni mamy dziś oczywiście lodówkę, ale oprócz niej młynki, miksery, roboty kuchenne, czajniki elektryczne, kuchenkę mikrofalową, piecyk elektryczny, radio itd. W pokojach są telewizory, radia, wieże, kino domowe, komputery, telefony, czasem klimatyzator. No i oczywiście oświetlenie. Wymieniliśmy tego sporo a pewnie wciąż o czymś zapominamy. Może tych urządzeń nie są to urządzenia elektroniczne, które pobierają z sieci silnie odkształcony prąd. Efekt transformatory 15/0,4 kv nagle (w perspektywie życia transformatora) zostały obciążone większą mocą,ale mocą odkształcenia. Efektem jest zniekształcenie sinusoidy napięcia i zwiększone straty w KSE. Czy można z tym sobie jakoś poradzić? 2. Odbiorniki elektroniczne Głównym sprawcą problemów z jakością energii są odbiorniki elektroniczne wszelkiego typu urządzenia TV, komputery i osprzęt, urządzenia telekomunikacyjne, ale również tzw. żarówki energooszczędne. Ale również nowoczesne pralki, wentylatory, odkurzacze urządzenia zawierające napędy z płynna regulacją obrotów. Wszystko są to w zasadzie odbiorniki prądu stałego (mogą zawierać falowniki) zasilane jednofazowo z sieci publicznej. Muszą one zawierać prostowniki. Wśród obecnie stosowanych urządzeń elektronicznych można znaleźć kilka typowych rozwiązań prostowników. Generalnie problem polega na tym, że urządzenia elektroniczne zasilane są zazwyczaj niskimi napięciami. Typowe wartości to: +9V, +12V, +20V, ±15V, +5V, +3,3V i inne. Prostowniki muszą zatem realizować takie funkcje jak zamienna prądu przemiennego na stały oraz obniżenie napięcia. W wielu zastosowaniach konieczna jest izolacja galwaniczna. Typowe struktury przekształtników stosowanych w tym miejscu przedstawia rys. 1. Prąd pobierany z sieci przez te układy determinuje wejściowy prostownik diodowy obciążony kondensatorem. Typowy przebieg jest tu przedstawiony na rys. 4. Jeśli możliwe wykonanie stosunkowo prostego układu o sinusoidalnym poborze prądu. Jednak z punktu widzenia producenta domowych, prostych i tanich urządzeń elektronicznych jest to koszt, który może decydować o opłacalności produkcji. Widać jednak, że odbiorniki tego typu są w rzeczywistości odbiornikami prądu stałego. 23

25 A Steel we+ wy+ Steel we+ wy+ B D D 1 T 4 C Przetwornica C Przetwornica 2 3 TRANSFO C DC/DC C DC/DC D we- wy- D we- wy- Rys. 1. Schemat typowego prostownika zasilającego urządzenia powszechnego użytku W gospodarstwie domowym jest również wiele odbiorników silników komutatorowych prądu przemiennego. Należy zauważyć, że również one mogą być zasilane prądem stałym. 3.Koncepcja zasilania domu jednorodzinnego Rys. 2 przedstawia koncepcję zasilania domu jednorodzinnego napięciem stałym z własną elektrownią. Jest to układ przejściowy. Zakładamy, że część odbiorów wymagać będzie jeszcze zasilania napięciem przemiennym. Prostownik 15/0,4kV linia 3 x ~15kV linia 2 x =400V 1 złącze 2 szafa elektrowni 3 falownik 4 odbiory AC 5 obiory DC elektrownia przydomowa Rys. 2. Koncepcja zasilania domu jednorodzinnego napięciem stałym Aby zrealizować przedstawioną wyżej koncepcję konieczna jest zmiana w liniach rozdzielczych niskiego napięcia. Proponujemy wymianę przemiennoprądowej linii czteroprzewodowej 3 x 0,4 kv na podwójną linię stałoprądową [2]. Napięcie linii stałoprądowej powinno wynosić około w granicach V [4]. Bez zmiany przewodów można założyć napięcie 326 V, czyli wartość szczytową napięcia przemiennego mierzoną względem przewodu neutralnego. Dobór wartości napięcia ma kluczowe znaczenie dla sprawności układu względem systemu przemiennoprądowego. Transformator 15/0,4 kv zostanie zastąpiony prostownikiem o bardzo małym zniekształceniu pobieranego prądu (rys. 3) [1]. Zastąpiłby małe, domowe prostowniki pobierające prąd o znacznym odkształceniu [5]. 24

26 Tek Stop M Pas: -800,0ms CH1 Coupling DC BW Limit Off 60MHz 2+ Volts/Div Coarse 1+ Probe 1X CH1 200mV CH2 500mV M 10ms CH1 40mV Rys. 3. Prąd pobierany z sieci przez nowoczesny prostownik dużej mocy [5] Dalej energia mogłaby popłynąć do odbiorców liniami nn prądu stałego. Linie te mają to do siebie, że porównując dopuszczalne spadki napięć, mogą przenosić znacznie większe energie lub na większe odległości, przy tych samych przekrojach żył, co współczesne linie przemiennoprądowe [3]. 4. Odbiory w domu W celu weryþ kacji przedstawionych wyżej tez przeprowadziliśmy pomiary prądu pobieranego z sieci przez niektóre urządzenia domowe. Przebadane zostały takie odbiory jak: - telewizor w czasie pracy (rys. 4a), - mini wieża w czasie pracy (rys. 4b), - laptop (rys. 5a), - kuchenka mikrofalowa (rys. 5b), - żarówka zwykła (rys. 6a), - żarówka energooszczędna (rys. 7a), - odkurzacz elektryczny, 100% i 50% mocy (rys. 6b i rys. 7b) i wiele innych. A B Rys. 4. Telewizor (A) oraz miniwieża (B) podczas pracy 25

27 A B Rys. 5. Laptop (A) oraz kuchenka mikrofalowa 1000W (B) podczas pracy A B Rys. 6. Żarówka zwykła 60 W (A) oraz odkurzacz 100% mocy (B) podczas pracy A B Rys. 7. Żarówka energooszczędna 21 W (A) oraz odkurzacz 50% mocy (B) podczas pracy 5. Przejście na zasilanie prądem stałym Przy przejściu na zasilanie prądem stałym należy rozważyć m.in. takie kwestie jak: - zabezpieczenie przeciwporażeniowe, - aparatura łączeniowa, - dobór wartości napięcia zasilającego. Zajmijmy się teraz kwestią doboru napięcia i prądu. Niezależnie od rodzaju napięcia 26

28 zasilającego energia dostarczona do odbioru musi pozostać stała. Z deþ nicji wartości skutecznej przebiegi możemy zastąpić prąd lub napięcie sinusoidalne o danej wartości skutecznej prądem lub napięciem stałym o tej wartości. Przeprowadzony został eksperyment polegający na zasilaniu wybranych urządzeń napięciem stałym odpowiedniej wartości i pomiarze prądu pobieranego z sieci prądu stałego. Wyniki prezentują rys. 8a i rys. 8b. W obu wypadkach komputer działał prawidłowo. A B Rys. 8. Komputer w czasie pracy zasilany z sieci przemiennoprądowej 230 V (A) oraz stałoprądowej 230 V (B) 6. Podsumowanie Jak widać z wykonanych pomiarów wiele urządzeń domowych to odbiorniki prądu stałego. Nawet obecnie część z nich mogłaby być zasilana z linii prądu stałego bezpośrednio. Wartość napięcia w linii tej musiałaby być równa wartości skutecznej napięcia przemiennego. Proponowana zmiana jest więc technicznie możliwa. Na przeszkodzie stoją głównie problemy natury prawnej związanej z normami bezpieczeństwa. BibliograÞa: 1. Biczel P.: Przekształtniki energoelektroniczne w generacji rozproszonej. VII Konferencja - Szkoła Elektrotechniki - prądy niesinusoidalne EPN Łagów , ID51 2. Biczel P., Sadowski A.: Dystrybucja energii prądem stałym. X Konferencja Naukowo-Techniczna Nowoczesne urządzenia zasilające w elektroenergetyce. Zakopane, Borioli E., Brenna M., Faranda R., Simioli G.: A Comparision between the Electrical Capabilities of the Cables Used in LV AC and DC Power Lines. 11th International Conference on Harmonics and Quality of Power. Power, ICHQP, September 2004, Lake Placid, New York 4. Borka J., Horvath M.: The Advantage and Problem Sphere of Low-Voltage DC Energy Distribution. IEEE ISIE 2005, June 20-23, 2005, Dubrovnik, Croatia 5. Kłos M.: Aspekty techniczne i ekonomiczne magazynowania energii elektrycznej na przykładzie elektrowni wiatrowej. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny, Warszawa

29 28

30 Bogdan Ślęk Philips Lighting Poland S.A. CZY NADCHODZI KRES UŻYTKOWANIA ŻARÓWKI? 1. Wstęp Przez ostatnie stulecie żarówka, wynalazek Edisona, była najbardziej popularnym źródłem światła używanym przez człowieka. Czy nadchodzi kres jej użytkowania? W ostatnim czasie w wielu krajach na całym świecie toczy się debata na temat konieczności zastąpienia tradycyjnej żarówki energooszczędnymi źródłami światła. Mając na uwadze toczącą się obecnie dyskusje na temat negatywnego wpływu działalności człowieka na środowisko naturalne, a w szczególności zmian klimatycznych związanych z ocieplaniem się klimatu na wskutek zwiększonej emisji gazów cieplarnianych, specjaliści zwrócili uwagę na fakt, że oświetlenie odpowiada za 19% zużycia energii elektrycznej na świecie. Sztuczne oświetlenie pojawiło się we wszystkich dziedzinach życia człowieka i jest nieodłącznym elementem rozwoju cywilizacji również w XXI wieku. Bez wątpienia najbardziej popularnym źródłem światła używanym do oświetlenia wnętrz jest tradycyjna żarówka, która jest powszechnie stosowana w oświetleniu gospodarstw domowych. Mimo, że jest ona systematycznie wypierana przez inne bardziej energooszczędne źródła światła, to w dalszym ciągu, co roku w krajach Unii Europejskiej sprzedawanych jest ponad 2 miliardy tradycyjnych żarówek. Skumulowana wartość energii zużywanej przez żarówki jest znaczna. Szacuje się, że Ich wymiana na bardziej efektywne źródła światła, tylko w przypadku krajów Unii Europejskiej, przyniosłaby oszczędności rzędu ponad 3 mld EUR rocznie oraz redukcję emisji CO 2 o 20 milionów ton. 2. Żarówka tradycyjna Mimo, że od czasu, kiedy w roku 1879 Edison wynalazł żarówkę ze skrętką ze zwęglonego włókna bambusowego jej parametry znacznie się poprawiły to z uwagi na zasadę działania żarówka jest bardzo nieefektywnym źródłem światła. Żarówka w swojej podstawowej części jest szczelna bańką szklaną zawierającą drut wolframowy zwany potocznie żarnikiem lub skrętką, który jest podgrzewany przez przepływający przez niego prąd elektryczny do wysokiej temperatury. Im wyższa jest temperatura skrętki tym więcej zostaje wyemitowanej energii elektromagnetycznej, z której część stanowi promieniowanie widzialne, czyli światło. Taki sposób emisji światła nazywamy temperaturowym wytwarzaniem światła (inkadescencją). Niestety jest to jednak sposób bardzo niedoskonały, bowiem jedynie kilka procent energii elektrycznej jest zamieniona na światło. Pozostałe dziewięćdziesiąt kilka procent jest zamienione na promieniowanie cieplne i straty przewodzenia. Równocześnie przy temperaturze powyżej 3300 stopni Celsjusza wolfram zaczyna parować. Skrętka staje się 29

31 coraz cieńsza, aż do momentu jej przepalenia. W konsekwencji trwałość tradycyjnej żarówki szacuje się na około 1000 h świecenia. A B Rys. 1. Tradycyjna żarówka na trzonku E27 (A) i E14 (B) 3. Etykiety energetyczne dla źródeł światła W dniu 27 stycznia 1998 roku weszła w życie Dyrektywa Komisji 98/11/WE wykonująca dyrektywę Rady 92/75/EWG w zakresie etykietowania energii lamp gospodarstwa domowego. Zgodnie z ustawodawstwem Unii Europejskiej wszystkie źródła światła zasilane napięciem sieciowym i przeznaczone do stosowania w gospodarstwie domowym podlegają obowiązkowej kwaliþ kacji z uwagi na efektywność energetyczną. Klasy energetyczne (klasy efektywności energetycznej) oznacza się literami od A do G. Etykieta jest umieszczona lub nadrukowana czy załączona do pojedynczego opakowania lampy. Klasy energetyczne wyznacza się ze stosunku rocznego zużycia energii przez dane urządzenie do standardowego zużycia energii przez tego typu urządzenia określonego odpowiednimi przepisami. Klasą A oznacza się urządzenia najbardziej efektywne a klasą G najmniej efektywne. Najpopularniejsza w Polsce żarówka 100W emitująca 1360 lumenów światła posiada klasę energetyczną E. Dla porównania Energooszczędna świetlówka kompaktowa świecąca tak samo jasno i posiadająca klasę A może zużywać nie więcej niż 22,86 Watów. Rysunek nr 2 przedstawia wygląd etykiety energetycznej dla źródła światła. Oprócz klasy efektywności energetycznej na etykiecie znajduje się informacja o strumieniu świetlnym lampy, jej mocy i trwałości. Przykładem nowoczesnych lamp żarowych są żarówki halogenowe, które dzięki zastosowaniu regeneracyjnego cyklu halogenowego osiągają do 25% wyższą skuteczność świetlną oraz 2-4 razy większą trwałość niż tradycyjne żarówki. Wśród żarówek halogenowych możemy wyróżnić grupę lamp zasilanych napięciem sieciowym 220V oraz lampy niskonapięciowe. 30

32 XY00 XYZ XY00 Lumen Watt h Rys. 2. Etykieta energetyczna dla źródła światła Rys. 3. Żarówka halogenowa na napięcie sieciowe - HalogenA 4. Żarówki halogenowe na napięcie sieciowe HalogenA Rodzina lamp halogenowych HalogenA przeznaczona do pracy na napięciu sieciowym jest bezpośrednim zamiennikiem tradycyjnych żarówek. Żarnik halogenowy został zaprojektowany na napięcie 230V i umieszczony w bańce szklanej przypominającej gabarytami żarówkę. Lampy typu HalogenA występują na naszym rynku oświetleniowym w kilku wersjach, które stanowią bezpośredni zamiennik tradycyjnych żarówek zarówno w bańce A60 (HalogenA BTT), jak również G95 (HalogenA GLOB) oraz żarówek zwierciadlonych (HalogenA PAR). Lampy halogenowe HalogenA charakteryzują się większą skutecznością świetlną i dwukrotnie większą trwałością niż odpowiadające im żarówki tradycyjne. Pozwala to w sposób bardzo prosty poprawić warunki oświetleniowe w miejscach, gdzie stosowano do tej pory żarówki tradycyjne. Na rys. 2 przedstawione są podstawowe parametry 31

33 oświetleniowe lamp HalogenA PAR, które są zamiennikami tradycyjnych żarówek reß ektorowych. Tabela 1. Porównanie lamp HalogenaA z tradycyjnymi żarówka Żarówki reflektorowe PAR 38 R95 R60/63 R50 PAR HalogenA PAR 38 PAR 30L PAR 20 PAR 16 Oprócz żarówek halogenowych Halogena A na rynku pojawiły się również inne typy halogenów na napięcie sieciowe niebędące bezpośrednimi zamiennikami tradycyjnych żarówek. W ciągu ostatnich lat rozwija się dynamicznie cała rodzina żarówek halogenowych na napięcie sieciowe. Można śmiało powiedzieć, że mamy do czynienia z nowym trendem w przypadku konstrukcji opraw konsumenckich. Jeszcze do niedawna podstawowym źródłem światła do opraw konsumenckich były żarówki oraz niskonapięciowe żarówki halogenowe. Te ostatnie, z uwagi na większą skuteczność świetlną, pozwalały na uzyskanie ciekawych efektów świetlnych oraz miniaturyzacje opraw. Jednakże podstawową trudnością przy konstrukcji opraw oświetleniowych była konieczność stosowania transformatora. Niektórzy konstruktorzy korzystali ze stosunkowo tanich transformatorów toroidalnych, które są jednak dość ciężkie. Inni preferowali użycie lekkich transformatorów elektronicznych, te jednak z uwagi na wyższą cenę powodowały, że koszt oprawy był duży. Nowe źródła halogenowe na napięcie sieciowe dokonały rewolucji na rynku. Reß ektorowe źródła halogenowe w wersjach z aluminiowym i zimnym lustrem, pojawiły się na rynku opraw konsumenckich kilka lat temu. Przykładem takich źródeł są lampy typu Twistline. Charakterystyczny trzonek typu GU (wersja aluminiowa) i GZ (wersja z zimnym lustrem) pozwala na bardzo prosty montaż i wymianę źródła. Od kilku lat na rynku pojawiły się kapsułki halogenowe na trzonku G9. Pierwsze kapsułki były stosunkowo duże w porównaniu do znanych źródeł niskonapięciowych. Jednakże postępująca miniaturyzacja sprawiła, że w roku 2002 pojawiła się zminiaturyzowana wersja kapsułek halogenowych typu Clickline (maksymalna długość 44 mm). Daje to jeszcze większą swobodę producentom opraw w tworzeniu nowych konstrukcji oraz szybką adaptacje istniejących konstrukcji z uwagi na fakt, że gabaryty lamp Clickline są porównywalne z kapsułkami niskonapięciowymi. 32