به نام خدا

 عنوان مقاله

 لامپ هاي ال اي دي جهت روشنايي و صرفه جويي در مصرف انرژي

 تهيه كننده : محمد رضا زيوداري

 اداره كل راه آهن جنوب 

براي روشن شدن موضوع ضمن معرفي لامپ‌هاي LED ، عواملي كه باعث برتري اين دسته از لامپ‌ها بر ساير انواع قديمي‌تر شده‌اند، مورد بررسي قرار گرفته است. در انتها با ارائه دو مثال، نشان داده شده كه مي‌توان با جايگزيني لامپ‌هاي LED به جاي لامپ‌هاي قديمي‌تر، از هدر رفتن مقدار زيادي از انرژي الكتريكي جلوگيري نمود و علاوه‌بر آن هزينه‌هاي مربوط به نگهداري و تعويض انواع لامپ‌هاي موجود را كاهش داد.

زندگي نوع انسان از ابتداي خلقت پيوسته وابسته به انواع انرژي بوده است و با گذشت زمان اين وابستگي نه تنها كاهش نيافته بلكه با روند چشمگيري رو به افزايش است و در حال حاضر همگان به دنبال يافتن راه‌هايي هستند كه بتواند پاسخ‌گوي رشد فزاينده تقاضاي انرژي باشند.

در همين راستا مباحثي مانند بهينه‌سازي مصرف انرژي و انرژي‌هاي نو كه در گذشته نه چندان دور تعريف خاصي را نمي‌توانستيم براي آن‌ها متصور شويم در حال حاضر اهميت فوق‌العاده‌اي يافته‌اند.

به طور كلي نقاطي را كه مي‌توان به منظور بهبود وضعيت انرژي بر آن‌ها تمركز نمود مي‌توان به سه دسته تقسيم كرد:

الف) توليد: توليد انرژي از منابع جديد، بهينه‌سازي روش‌هاي توليد و ...

ب) انتقال: كاهش اتلافات انتقالي جهت دست يافتن به روش‌هاي بهينه انتقال انرژي به نقاط مصرف.

ج) مصرف: بهينه‌سازي مصرف كننده‌ها، تغيير الگوي مصرف، صرف‌جويي در مصرف و غيره.

در اين مقاله به اقتضاي موضوع و زمان به كنكاش و يكي از اساسي‌ترين و به روزترين زيرمجموعه‌هاي مديريت انرژي يعني مديريت روشنايي خواهيم پرداخت.

اهميت اين بخش از مديريت انرژي توسط آمار و ارقام منتشره توسط متصديان توليد و توزيع انرژي در ايران و جهان كاملاً قابل توجيه است. به طوري كه در آمار انتشار يافته توسط وزارت نيروي ايران بخش روشنايي با مصرف حدود 4/4672 ميليون كيلو وات ساعت در سال 1382 بالغ بر 4 درصد از مصرف انرژي برق كشور را به خود اختصاص داده و در طي اين مدت استان اصفهان به عنوان دومين استان پُر مصرف كشور در حدود 7/325 ميليون كيلو وات ساعت يعني حدود 7/2 درصد از كل مصرف برق اين استان را در اختيار داشته است ضمن اينكه روشنايي سهم عمده‌اي در مصارف خانگي و همچنين نقش قابل توجهي در مصارف صنعتي و عمومي نيز دارد و از طرف ديگر عمده‌ترين مصرف در ساعات پيك (اوج بار) مربوط به روشنايي مي‌باشد.

طبق آمار بخش روشنايي معابر رشدي بالغ بر 24 درصد در سال داشته كه اين افزايش نشان دهنده گسترش شهرها و افزايش روشنايي شهري شهرها و روستاهاست.

بنابراين اهميت توجه جامعه به صرفه‌جويي در اين بخش و كنترل مصرف برق در اين حوزه با توجه به اين نكته كه مديريت انرژي در سيستم روشنايي به منزله محدود كردن انرژي و يا به حداقل رساندن ميزان روشنايي نبوده بلكه روشي در جهت مصرف صحيح و اصولي در صنايع، ساختمان‌هاي مسكوني، تجاري و اداري و ... كاملاً محسوس مي‌باشد.

مفاهيم روشنايي

موضوعي كه قصد به بررسي آن داريم عبارت است از بررسي اثر جايگزيني لامپ‌هاي LED به جاي انواع لامپ‌هاي مورد استفاده كه در تطبيق با دسته‌بندي فوق مربوط به سومين نقطه اساسي در چرخه‌ي انرژي يعني مصرف و مصرف كنندگان مي‌باشد كه در ذيل به آن مي‌پردازيم. بهينه‌سازي در سيستم‌هاي روشنايي نه تنها از ديد بهره‌وري مصرف انرژي بلكه از لحاظ حفظ بهداشت و ايمني ضروري به نظر مي‌رسد چرا كه اثرات يك سيستم روشنايي نامناسب مي‌تواند به صورت خشكي چشم، سر درد، نقص بينايي و تصادفات ناشي از كمي نور يا درخشندگي و چشم زدگي بروز كرده و موجب افت راندمان كاري افراد گردد.

ابتدا تعاريفي از مباحث مهم در روشنايي را از نظر مي‌گذرانيم:

شار نوري ـ ‌‌

كل توان نوري كه از يك منبع نور (مثلاً لامپ‌) در جهات مختلف منتشر مي‌گردد كه واحد آن لومن (Lumen) است. (يك لومن عبارت است از فلوي نوري كه از جسم كاملاً تيره (سياه) به سطح 5805/0 ميلي‌متر مربع در درجه حرارت 2042 درجه كلوين ساطع مي‌شود).

بازده‌ي نوري ـ h

خارج قسمت شار نوري به توان الكتريكي مصرفي آن را بازده نوري لامپ‌ (Efficacy) مي‌نامند كه واحد آن «لومن بر وات l/w» است

شدت نور ـ I

شدت نور عبارت است از چگالي شار نوري در جهت و يا زاويه معيني در فضا كه به صورت خارج قسمت شار نوري (F) به زاويه فضايي (w) بيان مي‌گردد كه ـ واحد آن شمع (Candella) است

بديهي است، در صورتي كه فلوي نوري به طور يكنواخت پخش شده باشد، مقدار شدت نور برابر خواهد شد با:

I=df/dw

شدت روشنايي ـ E

نسبت مقدار شار نوري كه به طور عمودي بر سطح مي‌تابد، شدت روشنايي ناميده مي‌شود كه واحد آن لوكس مي‌باشد.

لوكس: يك لوكس عبارت است از روشنايي حاصل از تابش شار نوري به مقدار يك لومن بر سطحي برابر يك متر مربع.

خورشيد: 100000 لوكس

 

مهم‌ترين كاربردهاي چراغ‌هاي LED

روشنايي معابر

كاربرد ديگر LED در بخش تأمين روشنايي معابر مي‌باشد. بر طبق آمار ارائه شده در ترازنامه انرژي سال 82 حدود 4/4672 كيلو وات ساعت در بخش روشنايي معابر مصرف انرژي الكتريكي داشته‌ايم كه اكثر اين روشنايي‌ها با لامپ‌هاي جيوه‌اي يا بخار سديم تأمين گشته‌اند كه با جايگزيني لامپ‌هاي LED مي‌توانيم اين ميزان مصرف را تا حد زيادي كاهش دهيم لذا در ذيل به طور خلاصه به بررسي روشنايي خياباني مي‌پردازيم.

چراغ‌هاي خياباني

اين چراغ‌ها بايستي ضد آب و گرد و غبار باشند، عموماً با لامپ‌هاي جيوه‌اي و سديم استفاده مي‌شوند و داراي انواع زير هستند.

ـ چراغ كوتاه چمني

ـ چراغ متوسط پاركي

ـ چراغ بلند خياباني

ـ چراغ مخصوص پروژكتوري

 

با توجه به جداول مشخصه لامپ‌هاي مختلف و كاتالوگ سازندگان به دست مي‌آيد. تعدادي از لومن‌هاي نمونه به اين شرح است.

 

لامپ رشته‌اي 100 وات ــــ 1380 لومن

لامپ فلورسنت 40 وات ــــ 1980 لومن

لامپ بخار جيوه 250 وات ــــ 13500 لومن

لامپ بخار سديم فشار قوي 250 وات ــ 25000 لومن لامپ

لامپ بخار سديم فشار ضعيف 35 وات ـــ 4650 لومن

 

يك سيستم روشنايي خوب براي معابر و خيابان‌ها بايستي داراي مشخصات زير باشد:

ـ روشنايي كافي در سطح خيابان ايجاد نمايد.

ـ روشنايي ايجاد شده در سطح خيابان داراي يكنواختي باشد.

ـ سيستم مورد نظر كمترين خيرگي را براي چشم داشته باشد.

 

به طور معمول محاسبات سيستم روشنايي بيروني (و داخلي) به كمك نرم‌افزارهاي مختلف كه توسط سازندگان لامپ‌ها و مراكز مختلف ديگر تهيه شده‌اند، انجام مي‌گيرد.

از جمله اين برنامه‌ها مي‌توان به Calculux ، EasyLux ، Stahl ، OptiWin ، Chalmlite و .... اشاره نمود.

چراغ‌هايي كه در سيستم روشنايي بيروني مورد استفاده قرار مي‌گيرند، معمولاً داراي پخش نور نامتقارنند. تقريباً در تمامي انواع اين چراغ‌ها بيشترين شار نوري تحت زواياي افقي و عمومي مشخصي تابيده مي‌شوند. زاويه افقي را معمولاً با فی و زاويه عمودي را با تتا نشان مي‌دهند.

 ـ نوع I : پخش متقارن دو طرفي و چهار طرفي

ـ نوع II : پخش غير متقارن باريك دو طرفي و چهار طرفي

ـ نوع III : پخش غير متقارن متوسط

ـ نوع IV : پخش غير متقارن پهن

ـ نوع V : پخش متقارن

 نوع اول: چراغ با پخش نور كوتاه و يا Cut-Off كه بيشترين شار نوري را در زاويه عمومي 45 تا 65 درجه نسبت به خط عمود مي‌تاباند.

نوع دوم: چراغ  با پخش نور متوسط و يا Semi – Cut-Off كه بيشترين شار نوري را در زاويه 66 تا 75 درجه نسبت به خط عمود مي‌تاباند.

نوع سوم: چراغ  با پخش نور بلند و يا Non Cut-Off كه بيشتري شار نوري را در زاويه‌ي عمودي 76 تا 80 درجه نسبت به خط عمود مي‌تاباند.

1.     تعيين شدت روشنايي (لوكس) مورد نياز

2.     تعيين نوع لامپ و چراغ مناسب و ارتفاع پايه چراغ

3.     تعيين ضريب بهره‌برداري

4.     تعيين ضريب كاهش نور در اثر فرسودگي و كثيف شدن لامپ و چراغ

5.     تعيين فاصله بين چراغ‌ها

6.     جانمايي و ترتيب نصب چراغ‌هاي خياباني

7.     ارتفاع نصب چراغ براي جلوگيري از خيرگي

 مثال‌هايي براي روشن شدن ميزان تأثير استفاده از لامپ‌هاي LED در كاهش مصرف انرژي

مثال(1) :

در يكي از مراسمي كه در سال 1385 انجام شد رسانه ملي اعلام نمود كه به منظور تزئين معابر و مكان‌هاي مختلف 10 ميليون عدد لامپ مورد استفاده قرار گرفته است كه اگر مقدار مصرف متوسط اين لامپ‌ها را برابر با 40 وات در نظر بگيريم در مدت 12 ساعت روشن بودن اين لامپ‌ها در يك شبانه‌روز 4800 مگاوات ساعت برق مصرف شده است و در مدت 3 روزي كه اين تزئينات در معابر نصب بودند 14400 مگا وات ساعت برق مصرف شده است كه در صورت جايگزيني اين لامپ‌ها با لامپ‌هاي LED 2 واتي و يك واتي اين ميزان حداكثر 720 مگاوات ساعت خواهد بود كه حدود 15 درصد حالت قبل را مصرف مي‌نمايد و به ميزان 13680 مگاوات ساعت در مصرف برق صرفه‌جويي مي‌شد و علاوه‌بر اين تزئينات از نور و جلوه بيشتري نيز برخوردار بودند.

علاوه‌بر اين ميزان صرفه‌جويي در مصرف برق، مي‌توان از اثرات زيست‌محيطي كه ناشي از سوختن سوخت‌هاي فسيلي در نيروگاه‌ها جهت توليد اين ميزان برق مي‌باشد كه اين اثرات شامل آلاينده‌هايي نظير SO2، CO، NOX، CO2 و غيره است به ميزان جدول زير كاهش داد.

علاوه‌بر مورد فوق با توجه به حساسيت لامپ‌ها در برابر تغييرات دماي و شوك فيزيكي و نوسانات برق معمولاً در پايان اين گونه مراسم تعداد زيادي از اين گونه لامپ‌ها از كار افتاده و غير قابل استفاده مي‌گردند در صورتي كه لامپ‌هاي LED از اين قاعده مستثني مي‌باشند و در برابر بسياري از عوامل كه براي ساير منابع روشنايي مشكل‌آفرين مي‌باشند مقاوم هستند و در صورت صدمه ديدن قابل بازسازي نيز مي‌باشند.

با توجه به اينكه در هر سال تعداد زيادي از اين گونه مراسم در كشور برگزار مي‌شود مي‌توان با استفاده از لامپ‌هاي LED مي‌توان صدها هزار مگا وات ساعت در مصرف انرژي صرفه جويي نمود.

 مثال (2) :

فرض كنيد كه بخواهيم روشنايي يك بزرگراه را به طول 100 كيلومتر تأمين كنيم و براي اين كار از پايه‌هاي چهار شاخه و لامپ‌هاي 500 وات استفاده كنيم و در هر 50 متر يك پايه قرار دهيم در نتيجه به 2000 پايه و 8000 لامپ‌ نياز خواهيم داشت كه اين لامپ‌ در هر ساعت انرژي برابر با 4 مگاوات ساعت برق مصرف خواهند كرد و اگر به طور متوسط زمان روشن بودن آن‌ها را 12 ساعت در شبانه‌روز در نظر بگيريم روزانه 48 مگاوات ساعت و در سال 17520 مگاوات ساعت برق براي تأمين روشنايي اين بزرگراه انرژي مصرف شده است اما در صورتي كه به جاي اين لامپ‌ها از نمونه‌هاي 50 واتي LED استفاده كنيم كه 10 درصد مصرف در حالت قبلي است و ميزان برق مصرفي را مي‌توان 15768 مگاوات ساعت كاهش داد.

حال با توجه به وجود هزاران كيلومتر بزرگراه در كشور تصور كنيد كه ساليانه به چه ميزان مي‌توان در مصرف انرژي صرفه‌جويي نمود.

 برجهاي تلسكوپي  در راه آهن :

 

در بيشتر ايستگاهها تشكيلاتي ناحيه جنوب لااقل سه دستگاه برج تلسكوپي وجود دارد كه هر كدام داراي ۱۲ نورافكن   ۸۰۰واتي مي باشند كه جمعاً ۹۶۰۰ وات مي شود كه براي ۱۲ ساعت روشنايي شبانه ۱۱۵۰۲ وات  مي شود و ماهيانه ۳۴۵۶ كيلو وات در صورتي كه نورافكن ۵۰ واتي led   براي مصرف ماهيانه ۲۱۶ كيلو وات كه فقط ۱۶ درصد مقدار مصرف شده خواهد شد . يعني در يك ماه ۸۴در صد صرفه جويي فقط براي يك برج تلسكوپي كه حداكثر بعد از دوسال قيمت تمام شده تبديل نورافكن هاي ۸۰۰ واتي به ۵۰ واتي در اثر صرفه جويي در مصرف  برگشت داده مي شود .

نور افكن هاي معمولي ۴ سال عمر مي كنند در صورتي كه عمر نورافكن هاي ال ای دی ۱۲         سال است پس به صرفه تر هستند هم از نظر قيمت و هم از جهت نگه داري .