Evoluția Sistemelor DE Iluminat

Program postuniversitar de formare și dezvoltare profesională continuă

”POLUAREA, PROTECȚIA ȘI MANAGEMENTUL MEDIULUI”

Disciplina: TEHNOLOGII CURATE ÎN PROTECȚIA MEDIULUI.

EVOLUȚIA SISTEMELOR DE ILUMINAT

Titular: Prof. Dr. Ing. Ioan MILOȘAN

Cursanți:

Valentin-Ion GAFTONEANU – D.R.D.P. Brașov

Vasilica BĂDIȚOIU (Căs. GAFTONEANU) – D.R.D.P. Brașov

Fevronia NIGA (Căs. GRIGORAȘ) – SC SINAROM MINING GROUP SRL @ VAST RESOURCES

Brașov

2016

EVOLUȚIA SISTEMELOR DE ILUMINAT

Nevoia de lumină este veche de când este omenirea. Dacă ziua soarele luminează cu generozitate, noaptea luminătorii sunt mai zgârciți. În nopțile cu lună plină, oamenii primitivi se bucurau și se închinau astrului nopții pentru lumina care-i ajutau să vâneze. Dar situația devenea tragică în zilele înnourate și iarna când se retrăgeau în peșteri la adăpost.

Legendele Grecești spun că Prometeu a furat focul din ceruri și la dat oamenilor. Iar omul a văzut că focul de lemne (fig. 1) aduce lumină și căldură și că-l ferește de animalele sălbatice. Așa că a luat un lemn arzând și a aprins un foc de lemne în peștera în care, pe timpul nopții sau în zilele de iarnă, era adapostit de vremea rece.

Figura 1 – Foc din lemne

Omul primitiv a observat că în timp ce frigea carnea, picături incandescente de grăsime cădeau pe sol și continuau să ardă, descoperind astfel proprietățile combustibile ale seului și a avut ideea de a folosi acest seu pe un lemn, dand naștere primei torțe. Apoi a luat un fitil de bambus impregnat cu grăsime pe care l-a ținut într-un căuș de piatră sau într-o cochilie de melc, inventând primul opaiț.

În jurul anilor 3.000 î.Hr., după ce folosiseră lemnul și cărbunii aprinși pentru încălzit și iluminat, egiptenii au inventat lămpile cu ulei, al căror fitil era făcut din fâșii de țesătură răsucite.

În Asia Mică, lămpile cu ulei au apărut în epoca de bronz. Cele mai vechi care au fost găsite provin din Ur și datează din mileniul al III-lea î.Hr. [1]

Grecii și romanii foloseau la începutul erei noastre, candele cu fitil de in impregnat cu ceară ori cu seu, păstrat în ulei vegetal. Uneori, pentru a proteja flacăra, lampa cu ulei era un felinar cu pereții translucizi (pânza impregnată cu ulei, bășică de pește) [1].

Toate formulele antice de iluminat, au fost folosite în evul mediu.

Dar în timp nevoia de lumină pe tipul nopții a devenit tot mai mare, odată cu desfășurarea activităților nocturne și iată că omul inventiv din fire a dezvoltat lampile cu uleiuri și grasimi (opait, candela) iar în secolul al IV-lea, a fost inventată prima lumânare, punând un fitil de in în ceara de albine. Dezavantajul tuturor acestor sisteme antice de iluminat (torțe, opaiț, candela cu uleiuri sau grăsimi) față de lumânările din ceară era că pe lângă lumină scoteau și foarte mult fum.

Folosirea lumânării (figura 2) s-a generalizat abia în secolul al XV-lea. Mult mai târziu, farmacistul Jean Nicolas Gannal a reușit să solidifice seul cu ajutorul acizilor, inventând tehnica de fabricare a lumânărilor. În 1823, Eugene Chevreul a extras acidul stearic din grăsimea animală, ceea ce a permis fabricarea lumânărilor cu stearină, care dădeau mai multă lumină, producând mai puțin fum[1]. La sfârșitul secolului al XIX-lea a început să fie folosită parafina, un subprodus al rafinării petrolului.

Lampa cu ulei a fost perfecționată în 1550, de către italianul G. Cardano iar mai apoi în anul 1782 i s-a adăugat fitilul împletit care înlocuia fitilul de pânza de in. În 1784, elvețianul Aime Argard, a inventat fitilul de formă tubulară, care activa flacăra și suprima fumul gros datorat carbonului nears, prin faptul că permitea pătrunderea aerului în tubul fitilului. Farmacistul Antoine Quinquet a perfecționat lampa închizând flacara într-un tub de sticlă, ceea ce a îmbunătățit tirajul și a intensificat lumina (figura 3) [2]. Tot el s-a ocupat de lansarea și fabricarea lămpii, care îi poartă numele. Începând cu 1860, aceasta a ars petrol lampant, uleiul nemaifiind folosit la sfârșitul secolului al XIX-lea.

Începand cu 1797, inginerul Philippe Lebon a studiat folosirea pentru iluminat și încălzire a gazului degajat în timpul distilării lemnului într-un aparat pe care l-a brevetat în 1799, sub numele de termolampă (figura 4) [3].

Simultan, englezul William Murdock a experimentat acest gaz, reușind să construiască un bec cu gaz cu care a asigurat la început iluminatul propriei case, apoi al unei oțelării. Totuși, iluminatul cu gaz a fost adoptat abia în 1805, în Anglia, fiind perfecționat în 1820 prin apariția becului-fluture (figura 5)[4], care dădea o flacără turtită, în formă de evantai.

Această lampă a fost folosită la iluminarea primei străzi, în 1807, în Londra, respectiv strada Pall Mall. S-a început construcția unei vaste rețele de alimentare cu gaze în Londra, Paris și Berlin, dar rețeaua de gaz era foarte costisitoare și deși se dorea iluminarea acestor orașe, autoritățile și-au dat seama că sistemul nu era viabil în forma care se găsea atunci.

Odată cu dezvoltarea industriei petrolului, au apărut lămpile ce foloseau gazul lampant drept combustibil, iar lămpile cu petrol erau mult mai sigure decât lămpile ce foloseau gazul obținut din distilarea lemnului.

Folosirea acestui sistem de iluminat la nivelul unui oraș a fost înregistrat în luna mai 1857, cînd Bucureștiul a devenit primul oraș din lume ale cărui străzi erau iluminate în întregime cu lampi cu petrol lampant, ultimul și cel mai desăvârșit din comustibilii obținuți prin rafinare disponibili în acea epocă, produs de noile fabrici din Ploiești.

În 1802, englezul Humphry Davy, chimist și fizician, care dispunea de o pilă electrică cu 2000 de elemente, a obținut o lumină fixă, prin trecerea curentului prin panglici filamente de platină. Ulterior, a descoperit principiul lămpii cu arc, care urma să producă iluminatul electric și a experimentat aceste lămpi cu arc în Place de la Concorde din Paris în 1841.

După o altă serie de experimente făcute în Europa, și în Statele Unite, arcul se dovedea a fi o soluție care nu era practică, deoarece materialele care susțineau arcul se distrugea mult prea repede.

Astfel că soluția nu era cea a arcului electric în aer liber, ci a electricității trecută printr-un filament.

Descoperirea este cunoscută ca efectul Joule, după numele lui James Prescott Joule, a cărui teorie spune că la trecerea unui curentul electric, printr-un conductor rezistent, se degajează o cantitate de căldură care se poate transforma în energie luminoasă. Problema era de acum găsirea unui conductor potrivit pentru un filament, care introdus într-un bec fără oxigen să reziste cât mai mult timp.

În 1841, englezul Frederick de Moleyns a brevetat prima lampă electrică cu incandescență, alcatuită dintr-un filament închis într-un bec de sticlă.

În 1845, chimistul englez Joseph Swan a inventat becul cu filament în vid, dar dificultățile legate de producerea vidului și a unui filament practic au făcut ca primul său bec, cu filament de carton ars, să lumineze abia în 1878.

În 1846 mai târziu, americanulThomas Alva Edison a prezentat o lampă cu filament din celuloză carbonizată. După ce a experimentat 1.600 de materiale, Edison a ajuns la concluzia că filamentul cel mai rezistent este cel realizat din carbon, care are temperatură de topire de 3.500 grade C. Așa a ajuns să confecționeze un bec cu filamentul din carbon de bambus adus din Japonia, care a ars timp de 900 de ore. Folosind becul conceput de el și curentul furnizat de centrala electrică de la Pearl Street, construită tot de el, a putut să aducă lumina în casele new-yorkezilor, unde inițial a avut 85 de abonați, ca la începutul secolului al XX-lea să numere peste un milion de beneficiari, astfel că invenția lui Edison a fost repede generalizată, găsindu-i-se aplicații practice imediate și multiple. Totodată, becul lui Edison avea să lumineze în 1880, pachebotul „Columbia”, primul vas care a fost dotat cu lumină electrică.

Cercetările pentru obținerea unui filament solid, durabil și foarte luminos au continuat. În 1900, Karl von Auer a inventat un filament de osmiu, care însă a fost prea fragil. În 1902, chimistul Werner von Bolton a inventat filamentul de tantal, care dădea de cinci ori mai multă lumină pe watt decât acela a lui Edison și care a fost folosit în S.U.A. timp de 10 ani.
În 1908, americanul William Coolidge a inventat o metodă de producere a filamentelor de wolfram omogene, iar Irwing Langmuir le-a mărit durabilitatea introducând argon în bec. Tot el a inventat filamentul în formă de spirală, pentru a reduce pierderile de căldură.

O istorie ilustrată a inventatorilor care au dezvoltat becul cu incandescență, este prezentată în figura 6 [5]

Figura 6 – Inventatorii becului cu incandescenta

Un capitol nou a fost deschis de Nikola Tesla, care a realizat primul tub fosforescent cu reflector de intensificare (figura 7 [6]), tubul cu inducție electrodinamică, (figura 8 [6]), precum și prima reclama luminoasă (figura 9 [6]) care au fost prezentate în 11.07.1891 în fața adunării oamenilor de știință, ingineri și specialiști în domeniul electricității, invenții care a precedat lămpile cu vapori metalici (mercur, sodiu etc.) apărute în anul 1933 și care au dus la apariția în 1938 a lămpilor fluorescente.

Figura 9 – Prima reclamă luminoasă

Între paralel, în 1909, Georges Claude a inventat tubul luminiscent cu neon (figura 10[7]).

Figura 10 – Georges Claude

Lămpile fluorescente (figura 11[8])sunt mult mai eficiente decât becul incandescent. Acesta are partea interioara captusita cu fosfor si este umplut cu un gaz inert. Fosforul are rolul de a reflecta lumina produsa de bec. Lumina becului fluorescent nu este însa asemanatoare celei naturale, distorsionând culorile.

Figura 11 – Bec fluorescent

Becul fluorescent funcționează în mod asemănător cu tuburile de neon. Diferența constă în faptul că starterul care se folosește la neonul clasic, a fost înlocuit cu circuite electronice mici, ceea ce a permis realizarea unor becuri fluorescente de mici dimensiuni.

Avantaje:

– Marele avantaj al acestui tip de becuri este consumul, care este de 4-5 ori mai mic decât consumul becurilor cu incandescență. În interiorul becului se află un gaz la presiune joasă compus din vapori de mercur și neon, argon sau xenon. Peretele interior conține o substanță fluorescentă pe bază de fosfor, iar în momentul în care becul este conectat la o sursă de curent au loc descărcări electrice în interiorul său care duc la producerea luminii.

Dezavantaje 

– se aprind lent și este nevoie de timp până când ajung la luminozitate maximă. Culoarea lor nu este foarte estetică.

În schimb becul cu halogen (Figura 12 [9]) creeaza o lumina alba, foarte asemanatoare cu lumina naturala. Acesta produce foarte multa caldura si nu poate fi încapsulat în sticla, ci în cuart. În interiorul becului se gaseste halogen, nu argon.

Figura 12 – Bec cu halogen

Becul cu halogen funcționează pe același principiu ca și becul incandescent. Ceea ce diferă este compoziția bulbului din sticlă și amestecul de gaze din interior, care conțin și halogen. Astfel, filamentul poate ajunge la o temperatură mai mare, fără a se arde.

Avantaje:

– Intensitatea luminii produse este cu 20-30% mai mare decât în cazul becului incandescent clasic. Din cauza dimensiunilor sale mici, becul cu halogen este folosit mai ales la corpurile de iluminat cu spoturi de lumină. Există însă și becuri cu halogen de dimensiunile unui bec normal.

Dezavantaje:

– nu le poți amplasa în apropierea surselor inflamabile sau a copiilor deoarece emit radiații UV, nocive pentru piele. Trebuie să le manipulezi cu mare grijă deoarece sunt foarte fragile.

În 2012, la 133 de la inventare, Uniunea Europeană a decis scoaterea becul clasic cu incandescență din fabricație, pentru ca poluează și consumă prea multa energie (90% din energia electrică ce le străbate este transformată în căldură, și numai 10% este transformată în lumină). Începând cu această dată se fabrică doar becuri economice, cu un consum mai mic dar si un pret mai mare.

Masura a fost luata de Uniunea Europeana si are menirea de a reduce consumul de curent.

14% din energia utilizata este pentru iluminat, iar prin inlocuirea becurilor clasice cu unele ecologice se urmareste scaderea consumului cu pana la 80%.

Becurile economice pot fi in casa noastra un musafir otravitor. Unele pot avea o cantitate de mercur mai mare de 5 miligrame cat prevede legea.

Daca se sparg, aceste becuri elibereaza in atmosfera vapori periculosi care ne pot afecta organele vitale.

O soluție ce înlătură acest dezavantaj este becul ce folosește lumina LED (Light Emitting Diode) (figura 13 [10]). Deși becurile LED oferă o lumină direcțională, folosite în grupuri, becurile ce folosesc LED-uri sunt o alternativă ce oferă o lumină de calitate mai bună și consumă mult mai puțin decât becurile fluorescente sau cele cu halogen. 

Figura 13 – Bec LED

Avantaje becurilor LED:

– Durata de viață mare – becurile LED pot fi folosite de două ori mai mult (până la 50.000 de ore) față de cele fluorescente și de peste 50 de ori mai mult față de cele incandescente.

– Rezistență crescută – becurile LED sunt rezistente la șocuri și vibrații pentru că nu au filament precum cele incandescente.

– Eficiență superioară – becurile LED produc o lumină mult mai puternică și mai apropiată de conceptul de lumină albă.

– Consum redus de energie – principalul avantaj al acestui tip de becuri este consumul său scăzut, de 10-15 ori mai mic decât cel al unu bec incandescent.

– Tipul de lumină – becurile LED produc lumină rece, spre deosebire de becurile incandescente care se încing foarte tare ele având o eficiență foarte scăzută.

Dezavantaje:

– Prețul de achiziție mare – prețul destul de piperat este, probabil, cel mai mare dezavantaj al becurilor LED. În timp însă, prin economisirea energiei, costurile se amortizează.

– Lumina direcțională – becurile LED produc lumină direcțională adică lumina nu este împrăștiată uniform în întreaga încăpere. Cu timpul însă, această problemă a fost parțial remediată, prin apariția unor modele noi cu mai multe diode LED și un sistem de lentile care împăștie lumina adoima becurilor incandescente.

Datorită eficienței lor crescute, și o dată cu scăderea prețului de fabricație, becurile LED sunt la această oră soluția optimă pentru economisirea de energie, realizând totodată un iluminat foarte apropiat de lumina naturală.

BIBLIOGRAFIE:

[1] – https://istoriiregasite.wordpress.com/2010/05/16/inventii-in-istorie-iluminatul/

[2] – http://blog.legardemots.fr/post/2007/12/19/Quinquet

[3] – http://www.odbornecasopisy.cz/svetlo/casopis/tema/plynova-svitidla-salonu-kuchyni-a-loznic–16419

[4] http://www.edubilla.com/invention/gas-lighting/

[5] http://www.edisontechcenter.org/incandescent.html

[6] „Fantasticele invenții ale lui NIKOLA TESLA”, Nikola Tesla, David H Childress, Editura VIDIA, București, 2011, ISBN 978-606-92724-0-4

[7] https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_des_bourses_de_valeurs

[8] http://www.f64.ro/bec-fluorescent-105w-e27-5500k.html

[9] http://www.bizoo.ro/produse/becuri-e27/becuri-lampi-halogen-cat-1331/start-0/10/

[10] http://www.comunicatedepresa.net/Becuri-led-vs-becuri-clasice.htm