Stadiul actual în iluminatul electric cu lămpi fluorescente compacte

Eficienta Energetica

de Nicolae Golovanov , Ionel Popa , Florin Stoica , Eleonora Tipu , Cristian Lunganu , Constantin Ivanovici , Aurelia Ionescu

Stadiul actual în iluminatul electric cu lămpi fluorescente compacte

Conform Directivelor Europene, în iluminatul interior lămpile cu incandescenţă vor fi înlocuite cu lămpile fluorescente compacte cu durata de viaţă cuprinsă între 4.000-20.000 ore şi / sau cu lămpi fluorescente tubulare cu durata de viaţă cuprinsă între 6.000-12.000 ore, urmând ca în viitor să se utilizeze lămpi pe bază de LED-uri care, datorită duratei mari de viaţă de 100.000 ore, vor deveni soluţia finală pentru înlocuirea lămpilor cu incandescenţă.

1. Introducere

În anul 1972 John Campbell a patentat prima lampă fluorescentă compactă. Prima lampă LFC cu tub spiral a fost prezentată în anul 1976 de către Edward E. Hammer (General Electric), ca răspuns la criza petrolului din anul 1973. În anul 1980, Philips a prezentat lampa cu balast încorporat, cu tub T4 şi amalgam de mercur. A fost primul mare succes pentru înlocuirea lămpilor cu incandescenţă. În 1985 Osram a inclus balastul electronic. Un progres important a fost realizarea stratului fluorescent de randament ridicat care permite o putere mai mare pe unitatea de arie, faţă de lămpile liniare.

La începutul anului 1980 au fost comercializate, fiind realizate cu balast electronic încorporat sau detaşat. Încă de la început s-a pus problema realizării lor astfel încât să fie montate în acelaşi soclu ca şi lămpile incandescente aflate pe piaţă (soclu E 27). În acest fel, lămpile fluorescente compacte (LFC) pot înlocui, în majoritatea aplicaţiilor, lămpile tradiţionale cu incandescenţă.

Iluminatul electric reprezintă circa 9% din necesarul de energie electrică al unei gospodării, iar utilizarea LFC poate reduce necesarul de energie electrică în gospodării cu circa 7%. În anul 2007, pe piaţa din SUA s-au vândut circa 290 milioane LFC reprezentând circa 20% din piaţa de lămpi. În prezent, în SUA sunt peste 300 milioane de LFC. Lămpile fluorescente compacte conţin cel mult 5 mg de mercur, LFC sunt considerate un deşeu periculos.

Agenţia de protecţie a mediului din SUA (APE) estimează că circa 800 milioane de lămpi fluorescente tubulare şi compacte sunt aruncate anual, ceea ce poate provoca contaminarea cu mercur a unei suprafeţe de 81000 km2 de apă. Din acest motiv, este strict interzisă aruncarea acestor lămpi cu deşeurile menajere.

Figura 1. Caracteristica tensiune-curent electric a unei descărcări în mediul gazos

2. Principii de funcţionare a lămpii fluorescente compacte, avantaje şi dezavantaje

Lămpile fluorescente compacte fac parte din clasa lămpilor cu descărcare electrică utilizând radiaţiile electromagnetice care apar în procesele de schimb de energie ce rezultă la ionizările prin ciocnire.

LFC funcţionează pe acelaşi principiu ca lămpile linare, cuprinzând un tub vidat având la ambele capete doi electrozi din wolfram pe care este depus un strat de bariu.

În tubul cu vapori metalici în care sub influenţa unui câmp electric exterior rezultă, la bornele tubului, o relaţie specifică între curentul electric din tub şi tensiunea la bornele tubului (fig. 1). Principial, gazele sunt materiale izolante. În lipsa purtătorilor de sarcină nu poate să apară curent electric la aplicarea tensiunii la borne. În realitate, în spaţiu există totdeauna o anumită cantitate de purtători de sarcină, determinată de slaba ionizare datorată unor surse exterioare, de exemplu radiaţia cosmică.

Sub influenţa unui câmp electric, determinat de tensiunea UT la bornele tubului, purtătorii de sarcină se deplasează spre electrozi. Pentru un câmp electric redus (până în punctul A) rezultă o relaţie liniară între tensiunea aplicată şi curentul electric din tub.

Începând din punctul A aproape toţi purtătorii de sarcină, produşi în fiecare moment, sunt transportaţi la electrozi. Până în punctul B, curentul electric rămâne constant la o valoare de saturaţie. O creştere a tensiunii aplicate (a intensitătii câmpului electric) determină o creştere a vitezei purtătorilor de sarcină. Atunci când energia cinetică a acestora este mai mare ca energia de ionizare, datorită ionizărilor prin ciocnire apare un surplus de purtători de sarcină şi deci curentul electric prezintă o creştere a valorii sale.

Creşterea intensităţii curentului electric are loc după o curbă exponenţială (până în punctul C). Acestei descărcări întunecoase îi corespunde o densitate relativ redusă de curent electric.

La o creştere în continuare a densităţii de curent electric, în spaţiul de descărcare rezultă o intensificare a proceselor de apariţie a electronilor prin termoionizare şi fotoionizare. Începe etapa de descărcare autonomă. În prima parte are loc un proces de trecere (CD) şi apoi rezultă o descărcare în arc electric.

Canalul descărcării electrice determină o intensă emisie electromagnetică, de obicei, în domeniul radiaţiilor ultraviolete. Pentru a obţine o radiaţie luminoasă este necesară o conversie în spectrul vizibil. În acest scop este folosită substanţa fluorescentă plasată pe partea interioară a tubului de descărcare.

În cazul lămpilor cu descărcare în vapori metalici curentul electric trebuie limitat în domeniul EF (fig. 1). În acest scop sunt folosite elemente pentru limitarea curentului (stabilizarea descărcării electrice într-un anumit domeniu al caracteristicii tensiune-curent electric), numite balast. De cele mai multe ori, pentru limitarea curentului electric sunt utilizate bobine (balast inductiv). Uneori sunt folosite şi condensatoare (foarte rar rezistoare).

Temperatura electrozilor ajunge la peste 900 grade C şi, la aplicarea tensiunii are loc accelerarea electronilor care se ciocnesc cu atomi de argon şi de mercur. Rezultă o plasmă de joasă temperatură. Energia emisă la ciocnirile cu atomii de mercur determină radiaţie în spectrul UV.

Lămpile fluorescente compacte sunt lămpi cu descărcare în vapori de mercur de joasă presiune. În interiorul tubului este un amestec gazos de argon şi krypton împreună cu un miligram de mercur (presiunea gazului 150-160 Pa; presiunea vaporilor de mercur 0,15-15 Pa). Pe partea interioară a tubului din sticlă este plasat un strat subţire pulverulent dintr-un material fluorescent.

Canalul descărcării electrice determină o intensă radiţie în domeniul ultraviolet (în principal linia spectrală de 253 nm, aşa-numita linie rezonantă a mercurului) care este convertită în domeniul vizibil cu ajutorul stratului din material fluorescent. Materialul fluorescent determină calitatea luminii şi eficienţa sursei de lumină.

În lămpile fluorescente compacte, descărcarea electrică se dezvoltă în interiorul unui tub din sticlă prevăzut, pe partea interioară, cu un strat fluorescent, iar la capetele tubului sunt plasaţi doi electrozi. În mod obişnuit electrozii constau din filamente din wolfram, acoperite cu un strat activ din pământuri rare. Filamentele trebuie să fie preîncălzite.

Lungimea tubului este determinată de fluxul luminos nominal al lămpii.

Descărcarea electrică este amorsată iniţial în mediul gazos din tub, iar apoi are loc vaporizarea mercurului şi dezvoltarea descărcării în vapori metalici.

Tensiunea relativ ridicată (până la 2,5 kV) necesară amorsării descărcării este obţinută în multe dintre lămpile fluorescente compacte actuale cu ajutorul unui circuit rezonant LC.

Radiaţia luminoasă emisă este foarte redusă, având în vedere că emisia unei descărcări în vapori de mercur are loc practic numai în domeniul ultraviotet. Stratul fluorescent plasat pe partea interioară a tubului de descărcare converteşte circa o treime din radiaţiile invizibile UV în radiaţii vizibile a căror culoare depinde de materialul fluorescent utilizat.

Tensiunea la bornele tubului UT , după amorsarea acestuia, este mai mică decât tensiunea de alimentare [UT = (0,3-0,6)-Ur], în care, în mod obişnuit, Ur =230 V.

Prin alegerea corespunzătoare a stratului fluorescent, lămpile fluorescente compacte pot fi realizate în principal cu următoarele culori:

  • alb  culoare (temperatura de culoare circa 4400 K) care permite obţinerea unei eficienţe luminoase ridicate şi o utilizare generală; aceste lămpi sunt larg utilizate pentru iluminare în industrie, birouri, încăperi comerciale, în exterior;

  • lumina zilei  culoare alb-albăstruie (temperatura de culoare circa 6400K) care este asemănătoare cu lumina zilei; aceste lămpi sunt utilizate în locurile în care este importantă distingerea reală a culorilor (tipografii, ateliere foto, industrie textilă ş.a.);

  • alb cald  culoare caldă (temperatura de culoare 3300 K), cu o pondere importantă a domeniului roşu, este adecvată iluminării spaţiilor de odihnă (încăperi de locuit, spaţii culturale, restaurante etc.).

Lămpile ,,soft white" oferă o lumină asemănătoare lămpilor cu incandescenţă.

O durată ridicată de viaţă, o eficienţă luminoasă relativ mare şi o bună redare a culorilor au condus la o largă utilizare a acestor lămpi.

Principalele avantaje ale lămpilor fluorescente compacte sunt:

  • eficienţă luminoasă ridicată  55-88 lm/W;

  • o mare varietate de modele (cele mai des sunt utilizate lămpile cu puterea nominală de 10 W şi 30 W);

  • o redare a culorilor de la bună până la foarte bună;

  • o durată ridicată de viaţă (20 000 ore);

  • posibilitate de reglare continuă a fluxului luminos până la 1%, în cazul utilizării balastului electronic;

  • mai puţin sensibile la variaţii de tensiune decât lămpile cu incandescenţă (figura 2); micile variaţii până a 5% influenţează relativ puţin puterea absorbită P, durata de viaţă a lampii D, curentul electric absorbit I şi fluxul luminos emis  (în figura 2, toate mărimile sunt raportate la valorile de referinţă normate;

  • luminanţă redusă (0,5-3 cd/cm2).

Figura 2. Mărimile relative ale lămpii fluorescente în funcţie de tensiune.

În figura 3 sunt prezentate valorile medii ale eficienţei luminoase a LFC în comparaţie cu lămpile cu incandescenţă.

Figura 3. Variaţia puterii nominale a lămpii cu fluxul luminos emis:

a) lămpi incandescente;

b) lămpi fluorescente compacte.

De asemenea, un avantaj important este faptul că temperatura exterioară a tubului de descărcare a LFC este redusă, ceea ce limitează pericolul de producere a arsurilor (lămpile pot fi atinse cu mâna) şi pericolul de incendiu şi oferă posibilitatea utilizării lor în zone cu pericol de explozie sau de incendiu. Durata de viaţă de 5.000-20.000 ore, în raport cu 1.000 ore în cazul lămpilor cu incandescenţă fac ca LFC să devină deosebit de atractive din punct de vedere practic.

Luminanţa redusă a lămpilor fluorescente compacte (circa 3 cd/cm2) permite utilizarea lor directă fără măsuri speciale contra orbirii temporare, în timp ce lămpile cu incandescenţă au luminanţa ridicată.

O caracteristică importantă, mai ales în zonele cu tensiuni reduse, este faptul că prezintă o variaţie relativ redusă a fluxului luminos în zona de variaţie a tensiunii de alimentare (+/- 10%) (figura 2).

În numărul următor vom prezenta principalele caracteristici luminotehnice și de eficiență luminoasă în comparație cu lămpile electrice cu incandescență, dezavantajele LFC, precum și concluziile privind utilizarea în iluminatul electric al LFC-urilor pe piața românească și nu numai.


Constantin IVANOVICI inginer, Aurelia IONESCU fizician, Ionel POPA dr. ing., Eleonora ŢIPU inginer -  ICPE SA

Nicolae GOLOVANOV prof. dr. ing., UPB-CCEPM

Cristian LUNGANU ingienr, Florin STOICA inginer -  ICPE SA


Bibliografie

  1. Berrutto V., Bertoldi, Rotaru C., GREEN LIGHT IN ROMANIA, Conferinţa internaţionala de iluminat, 2003, 05.

  2. BOX N., FUTURISTIC LIGHTING IN THE URBAN LANDSCAPE, Conferinţa internaţionala de iluminat, 2003, 10.

  3. ***CIE Guide on interior lighting, nr.29/2, 1986.

  4. ***Commisson internationale de l’eclairage (CIE) http://www.members.eunet.at/cie/

  5. ***High Performance Schools Best Practices Manual, www.chps.net.

  6. ***International Association for Energy-Efficient Lighting)IAEEL) http://www.iaeel.org/


 

  


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord