ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΑΜΠΤΗΡΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ ΦΙΛΙΚΩΝ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΟΠΟΥΛΟΣ ΦΙΛΙΠΠΟΣ Σ.Ε.Μ.Φ.Ε. – Ε.Μ.Π. Επιβλέπων: Φωκίτης Εμμανουήλ

ΚΥΡΙΟΤΕΡΑ ΕΙΔΗ ΛΑΜΠΤΗΡΩΝ ΗΛ. ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ: ΚΥΡΙΟΤΕΡΑ ΕΙΔΗ ΛΑΜΠΤΗΡΩΝ ΗΛ. ΕΚΚΕΝΩΣΕΩΝ: Λαμπτήρες Η.Ε. Χαμηλής Πίεσης: φθορισμού νατρίου Χ.Π. Λαμπτήρες Η.Ε. Υψηλής Πίεσης: ατμών υδραργύρου Υ.Π. μεταλλικών αλογόνων νατρίου Υ.Π.

Λαμπτήρες φθορισμού (fluorescence lamps)

Λαμπτήρες φθορισμού (fluorescence lamps) Θερμιονική εκπομπή

Λαμπτήρες φθορισμού (fluorescence lamps) Μείγμα Αργού – Υδραργύρου Υδράργυρος σε αέρια και υγρή φάση αρχικά Δημιουργία πλάσματος Διεγέρσεις – αποδιεγέρσεις ηλεκτρονίων υδραργύρου (EAr = 11.56eV EHg = 4.88eV WI,Hg = 10.39eV) Εκπομπή ακτινοβολίας 184nm (VUV) και 253,7nm (UVC)

Λαμπτήρες φθορισμού (fluorescence lamps) Ιονισμός του Νέου και σπινθήρας Τήξη του ελάσματος Κυκλοφορία ρεύματος στο κύκλωμα του λαμπτήρα Επαναφορά του ελάσματος στην αρχική θέση Άναμμα λαμπτήρα

Λαμπτήρες φθορισμού (fluorescence lamps) Πολύ καλή απόδοση (40-80 lm/W) Μεγάλη διάρκεια ζωής Εξάρτηση φωτεινής ροής από τη θερμοκρασία (0-50 οC) Ποικιλία σχημάτων (CFL) Απαραίτητος ο εκκινητής (starter) Απαραίτητο το στραγγαλιστικό πηνίο (ballast) λόγω αρνητικής αντίστασης

Λαμπτήρες ατμών υδραργύρου (mercury vapor lamps)

Λαμπτήρες ατμών υδραργύρου (mercury vapor lamps) Λεπτός σωλήνας εκκένωσης από χαλαζία Εξωτερικός υάλινος κώδωνας με άζωτο για μόνωση και προστασία Αρχικά μικρό τόξο Αργού Εξάτμιση του Ηg και μεγάλο τόξο Δυσάρεστο γαλαζοπράσινο λευκό φως Διόρθωση με φθορίζουσες ουσίες

Λαμπτήρες μεταλλικών αλογόνων (Metal Halide lamps)

Λαμπτήρες μεταλλικών αλογόνων (Metal Halide lamps) Προσθήκη μεταλλικών αλογόνων (κυρίως ιωδίδιο) Εκκίνηση και λειτουργία ίδια με τον λαμπτήρα ατμών Hg (~5min) Μικρότερη διάρκεια ζωής λόγω ανάγκης για μεγαλύτερες τάσεις Πιο συνεχές φάσμα

Λαμπτήρες ατμών νατρίου Χ.Π. (l.p. sodium vapor lamps) Ακτινοβολία έντονα κίτρινη (589nm) Μέγιστη απόδοση λόγω ευαισθησίας του ανθρώπινου ματιού (θεωρ. 520 lm/W) Δεν περιέχουν υδράργυρο

Λαμπτήρες ατμών νατρίου Υ.Π. (h.p. sodium vapor lamps) Περιέχει αμάλγαμα υδραργύρου- νατρίου 2-3 φορές μεγαλύτερη απόδοση από τον λαμπτήρα ατμών υδραργύρου Κατάλληλο για φωτισμό εθνικών δρόμων, σηράγγων, διωρύγων, εξωτερικό φωτισμό κτηρίων κ.τ.λ.

Πότε ένας λαμπτήρας είναι «φιλικός προς το περιβάλλον»; Πότε ένας λαμπτήρας είναι «φιλικός προς το περιβάλλον»;

Απαραίτητες Προϋποθέσεις: Καλός συντελεστής απόδοσης Μη τοξικά μέρη Μεγάλη διάρκεια ζωής Είναι οι λαμπτήρες ηλεκτρικών εκκενώσεων «φιλικοί» προς το περιβάλλον;

Μέσες ποσότητες υδραργύρου σε λαμπτήρες φθορισμού (mg): Pre 1988 T-12 ~45 Post 1988 T-12 ~11.6 Typical T8 ~4 to 5 Low Mercury T8 ~3 CFL ~4 to 5  Mercury Contained in Four-Foot Fluorescent Lamp – Industry Average

Mercury Used in Lighting Industry 1984-2003 Σύμφωνα με την National Electrical Manufactures Association (NEMA) της Αμερικής το 1990 πουλήθηκαν στις ΗΠΑ 5 εκατομμύρια λαμπτήρες οι οποίοι περιείχαν συνολικά περίπου 23,6 τόνους υδραργύρου Το 2003 όλοι οι λαμπτήρες που πουλήθηκαν στις ΗΠΑ από μέλη της ΝΕΜΑ περιείχαν μόνο 5 τόνους υδραργύρου Mercury Used in Lighting Industry 1984-2003

Τοξικότητα υδραργύρου Eπιπτώσεις στην υγεία των ανθρώπων και το οικοσύστημα Βλάβες στο κεντρικό νευρικό σύστημα Εγκεφαλικές επιπλοκές Χρόνια προβλήματα στα νεφρά Σε έγκυες γυναίκες μπορεί να περάσει μέσω του πλακούντα, επηρεάζοντας την εμβρυϊκή ανάπτυξη Πολλές κατηγορίες ζώων, ιδιαίτερα κάποια πουλιά, παρουσιάζουν ήδη παρενέργειες λόγω δηλητηρίασης από υδράργυρο Στοιχεία που εντοπίζονται κάθε χρόνο στις χωματερές Ποσότητα Προέλευση Μόλυβδος 200 τόνοι Οθόνες ηλεκτρονικών υπολογιστών Υδράργυρος 150 κιλά Λάμπες φθορισμού, θερμοστάτες, θερμόμετρα, ρολόγια Κάδμιο 850 κιλά Μπαταρίες

Μήπως λοιπόν πρέπει να χρησιμοποιούμε λαμπτήρες πυρακτώσεως που δεν περιέχουν υδράργυρο;

Ανάλυση εκπομπών υδραργύρου για κάθε είδος λαμπτήρα Οι εκπομπές Hg στο περιβάλλον εξ αιτίας ενός λαμπτήρα είναι δύο ειδών: Έστω Η1 η ποσότητα Hg που περιέχεται στον λαμπτήρα και απελευθερώνεται μετά την απόρριψη του Η2 η ποσότητα που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα από τα εργοστάσια παραγωγής ηλ. ενέργειας για την λειτουργία του λαμπτήρα Η συνολική ποσότητα Ηg που καταλήγει στο περιβάλλον σε όλη τη διάρκεια ζωής του λαμπτήρα θα είναι: Η = Η1 + Η2 Αν k1: το ποσοστό πρόσμιξης Hg στο καύσιμο των εργοστασίων (0,096ppm<k1<2,67ppm) k2: ο ρυθμός κατανάλωσης καύσιμου (κάρβουνο) για κάθε kWh k3: το ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από την καύση κάρβουνου τότε: c = k1 k2 k3 Όπου c μια σταθερά που δείχνει την αναλογία απορροής Hg λόγω ηλεκτρ. κατανάλωσης k1≈ 0,55ppm, k2≈0.375 kg/kWh ενώ το k3 διαφέρει για κάθε χώρα. Για k3≈80% προκύπτει: c ≈ 0.55 x 0.375 x 0.8 = 0.165 mg/kWh

Ανάλυση εκπομπών υδραργύρου για κάθε είδος λαμπτήρα Για κάθε λαμπτήρα ορίζουμε την παράμετρο Μ που ισούται με τη συνολική απορροή υδραργύρου ανά μονάδα ροής φωτεινότητας και ανά μονάδα χρόνου: Μ = Η / φt όπου φ (klm) η μέση ολική ροή φωτεινότητας (average total lamp luminous flux) για όλη τη διάρκεια ζωής του λαμπτήρα t (hours). Θα είναι Η2 = cpt όπου p: η ισχύς του λαμπτήρα και άρα: Μ = Η/φt = H1/φt + H2/φt = H1/φt + cpt/φt Αν ο λαμπτήρας έχει απόδοση: η = φ / p (lm/W) τότε: Μ = Η1/φt + c/η η χαρακτηριστική εξίσωση απορροής υδραργύρου ενός λαμπτήρα στο περιβάλλον (mercury emanation ratio equation).

Είναι λοιπόν οι λαμπτήρες πυρακτώσεως προτιμότεροι για το περιβάλλον; Για λάμπα πυρακτώσεως Η1 = 0 και ηmax ≈ 15 lm/W οπότε: Μ = 0.165/15 = 0.011 mg/klmh Για τυπικό λαμπτήρα φθορισμού 36W με μέση ζωή 8000 ώρες και απόδοση η ≈70lm/W είναι Η1 ≈20mg και φ ≈2500lm οπότε: M = 20/2.5 x 8000 + 0.165/70 = 0.001 + 0.002 = 0.003 mg/klmh Για CFL 8W με μέση ζωή 8000 ώρες και απόδοση η ≈50lm/W είναι Η1 ≈ 2mg και φ ≈400lm οπότε: M = 2/0.4 x 6000 + 0.165/50 = 0.0008 + 0.0033 ≈ 0.004 mg/klmh Για λαμπτήρα ατμών υδραργύρου 250W, H1 ≈50mg, φ ≈12,7klm, t ≈15000h και η ≈50lm/W οπότε: M = 50/12.7 x 15000 + 0.165/50 = 0.0003 + 0.003 = 0.0033 mg/klmh

Επομένως ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως είναι χειρότερος για το περιβάλλον από οποιοδήποτε λαμπτήρα περιέχει υδράργυρο Σε όλα τα προηγούμενα παραδείγματα προέκυψε ότι η ποσότητα υδραργύρου που απελευθερώνεται στο περιβάλλον από ένα λαμπτήρα υδραργύρου λόγω της απόρριψης του είναι μικρή συγκρινόμενη με την ποσότητα που απελευθερώνεται από τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρ. ενέργειας για να λειτουργήσει ο λαμπτήρας. Lifetime Mercury emissions

Παρ’ όλα αυτά η ανάγκη ανάπτυξης λαμπτήρων ακόμα πιο φιλικών προς το περιβάλλον (Green light) παραμένει Για να ελαχιστοποιηθεί όσο το δυνατόν η χρήση του υδραργύρου Γιατί η ανακύκλωση των λαμπτήρων υδραργύρου έχει κόστος με αποτέλεσμα να μην γίνεται σε τέτοιο βαθμό ώστε να καλύπτει επαρκές ποσοστό των λαμπτήρων που απορρίπτονται (π.χ. Ιαπωνία)

Light Emitting Diodes (LED’s) Αρκετά καλή απόδοση αλλά μικρότερη από τους λαμπτήρες φθορισμού και τους λαμπτήρες HID Μεγάλη κατευθυντικότητα Ακατάλληλες για εσωτερικό φωτισμό προς το παρόν Κατάλληλες για φωτεινές πινακίδες, φωτεινούς σηματοδότες κ.α. Ταχέως αναπτυσσόμενη και πολλά υποσχόμενη τεχνολογία

Λάμπες φθορισμού χωρίς υδράργυρο Μέχρι στιγμής δεν έχει βρεθεί κάποιο στοιχείο που να μπορεί να αντικαταστήσει επαρκώς τον υδράργυρο. Οι νέοι λαμπτήρες θα πρέπει να έχουν: μεγάλη διάρκεια ζωής μεγάλη απόδοση (lm/W) ποιότητα φωτός κατάλληλη για εσωτερικό φωτισμό συμβατότητα και ίδιο τρόπο λειτουργίας με τους παλιούς

Ο πιο πιθανός αντικαταστάτης του υδραργύρου φαίνεται να είναι: Το Ξένον (Xe)

H Osram έχει ήδη αναπτύξει επίπεδες λάμπες Xe χωρίς καθόλου υδράργυρο κατάλληλες για απεικονιστικές εφαρμογές Diffuser plates Inverter PLANON® TV Desktop monitor Multimedia Airport Tower Frankfurt

* + h·h + Xenon - h· Xe + e - Xe*2 Xe e- 2 e 10 20 30 40 50 60 70 80 Light Xe * + 2 h·h + e - Anode Cathode e - Phosphor Reflective coating Bottom glass Top glass Barrier layer Xenon 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -30 -20 -10 Ambient temperature °C Relative light output % Mercury fluorescent OSRAM PLANON® PLANON® Hg- based fluorescent lamps (typical trend) UV Radiation Top glass + h· Xenon gas Glass Light Anode Phosphor Barrier layer Cathode e- Xe Xe*2

Υπάρχει όμως ακόμα η ανάγκη για ανάπτυξη φθορίζουσων ουσιών το Xe εκπέμπει στα 147nm και 173nm (VUV) Οι phosphors BAM στις οθόνες πλάσματος δεν αντέχουν σε μεγάλης διάρκειας εκθέσεις σε VUV ενώ ένας λαμπτήρας εσωτερικού φωτισμού πρέπει να έχει μεγάλη διάρκεια ζωής Οι περισσότερες έρευνες αυτή τη στιγμή γίνονται για κατάλληλες φθορίζουσες ουσίες και είναι προσανατολίσμένες στις σπάνιες γαίες

Ποιότητα φωτός κατάλληλη για εσωτερικό φωτισμό Μια φωτεινή πηγή έχει θερμοκρασία Τc όταν η ενεργειακή φασματική κατανομή της πλησιάζει εκείνη του μέλανος σώματος ακτινοβολούντος σε απόλυτη θερμοκρασία Τc

Ποιότητα φωτός κατάλληλη για εσωτερικό φωτισμό Η θερμοκρασία μια φωτεινής πηγής μπορεί να επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό την ψυχολογική κατάσταση ενός ατόμου το οποίο εργάζεται και περνάει πολλές ώρες με τον συγκεκριμένο φωτισμό

Ποιότητα φωτός κατάλληλη για εσωτερικό φωτισμό Έτσι θα πρέπει να ευρεθούν φθορίζουσες ουσίες που να αποδίδουν χρωματική θερμοκρασία κατάλληλη για τον εκάστοτε χώρο που θα χρησιμοποιούνται οι φωτεινές πηγές ώστε ο ρυθμός, η ποιότητα εργασίας και η ποιότητα ζωής των ανθρώπων να είναι η βέλτιστη.

Βιβλιογραφία: Διαδίκτυο: Αντώνιου Τσακίρη, Φωτοτεχνία, 2004 Αντώνιου Τσακίρη, Φωτοτεχνία, 2004 Διαδίκτυο: www.sciencedirect.com www.springerlink.com www.kluweronline.com http://users.ntua.gr/Waves_2002.html www.en.wikipedia.org www.howstuffworks.com www.nema.com www.iatronet.gr www.osram.com www.google.com