Świetlówki kompaktowe – co dalej?

fot. JoePhoto/FlickrCC

Na decyzję Unii Europejskiej, nakazującą zaprzestania produkcji tradycyjnych żarówek konsumenci zareagowali masowym wykupywaniem zapasów żarówek w sklepach. Znaczna część użytkowników nie akceptuje barwy światła, emitowanego przez świetlówki. Z drugiej strony świetlówki pobierają z sieci prąd mocno odkształcony, niesinusoidalny, co negatywnie oddziałuje na system energetyczny i generatory w elektrowniach.

Decyzja Unii Europejskiej, nakazująca wycofanie z produkcji tradycyjnych żarówek spowodowała masowy wykup zapasów w sklepach. Społeczeństwo w Polsce (a prawdopodobnie także w innych krajach) „zagłosowało” jednoznacznie, co o tym myśli. Nie ma wątpliwości, że świetlówki dają więcej światła przy mniejszym poborze energii, ale są one znacznie droższe, a ich trwałość w gospodarstwach domowych jest problematyczna.

Świetlówki sprawdzają się najlepiej w sytuacjach, gdzie światło jest rzadko wyłączane; w praktyce w gospodarstwach domowych oświetlenie jest włączane wiele razy w ciągu doby, a czas pracy różnych źródeł kształtuje się od pojedynczych minut do zaledwie kilku godzin na dobę (przykład: łazienki, spiżarnie, lodówki itp.). W tych przypadkach pojedyncze źródło zużywa relatywnie niewiele energii elektrycznej. Także w innych pomieszczeniach światło jest często włączane i wyłączane. Ponieważ koszt świetlówki kompaktowej jest 10 do ponad 20 razy większy (zależnie od producenta), koszt użytkowania dużej części punktów świetlnych dla przeciętnego gospodarstwa domowego nie tylko nie zapewni oszczędności finansowych, ale może okazać się znacząco większy.

Dodatkowym problemem jest utylizacja zużytych świetlówek, znacznie bardziej skomplikowana niż żarówek i będzie wymagała globalnego rozwiązania, co pociągnie dodatkowe koszty. Należy tu uwzględnić, że według danych z UE gospodarstwa domowe zużywają ponad 30% produkowanej energii, z czego znaczącą część stanowi energia elektryczna na oświetlenie. Tradycyjna żarówka jest odbiornikiem czysto rezystancyjnym i pobiera prąd sinusoidalny. Wycofanie żarówek tradycyjnych spowoduje, że drastycznie zwiększy się pobór energii z systemu energetycznego nie w postaci sinusoidalnej, ale mocno odkształconej. Nie pozostanie to bez negatywnego wpływu na pracę generatorów, systemu przesyłu energii i jakość energii dla odbiorców (harmoniczne w napięciu).

Prąd niesinusoidalny, wyższe harmoniczne

Problem jakości energii elektrycznej istniał od zawsze, ale wiązał się z wielkością napięcia, dostarczanego odbiorcom i ewentualnie częstotliwości. Generatory w elektrowniach produkują napięcie sinusoidalne, chociaż ze względu na rozmieszczenie uzwojeń w żłobkach maszyny, napięcie to już zawiera drobne skażenia wyższymi harmonicznymi, ale ze względu na dużą liczbę żłobków i różnorodne maszyny, włączone w ten sam system energetyczny napięcie to może być traktowane niemal jak czysta sinusoida. Także do niedawna większość odbiorników pobierała z sieci prąd sinusoidalny z relatywnie niewielkimi odkształceniami. Optymalny odbiorca pobierał energię przy cosϕ powyżej 0.8, a przy poborze energii biernej (przy cosϕ∠0.8) energetyka doliczała dodatkowe koszty. Obecnie elektronika i energoelektronika spowodowały, że coraz więcej odbiorników pobiera prąd niesinusoidalny.

W ostatnich latach XX wieku w efekcie postępu technicznego upowszechniło się stosowanie odbiorników z regulowanym poborem prądu. Obecnie znacząca ilość energii, zużywanej w przodujących pod względem technicznym krajach jest pobierana przez odbiorniki regulowane z nieliniowym odbiorem prądu. Przykładowo w USA w roku 1992 odbiorniki nieliniowe pobierały 15 – 20% całości zużywanej energii, a w roku 2001 ilość ta wzrosła do 60 – 80% i raczej ma tendencję nadal wzrastającą. Na ten stan mają wpływ nie tylko wielkie odbiory z regulacją poboru prądu, jak napędy przemysłowe z regulacją prędkości obrotowej maszyn, czy urządzenia grzejne dużej mocy z precyzyjną regulacją temperatury, ale wiele innych urządzeń. Prąd w sposób nieliniowy pobiera obecnie większość urządzeń gospodarstwa domowego, jak nowoczesne telewizory, odbiorniki radiowe, żarówki energooszczędne, ładowarki do telefonów komórkowych, komputery, zasilacze, dostosowane do zasilania napięciem zmieniającym się w szerokich granicach. Wymienione urządzenia mają zwykle niewielką moc, rzędu pojedynczych watów, ale ponieważ pracują one synchronicznie i w tym samym czasie pobierają krótkotrwale znaczny prąd, a ich liczba sięga milionów egzemplarzy, stanowią one znaczące obciążenie systemu energetycznego z bardzo odkształconym od sinusoidy poborem prądu. Przykładowy pobór prądu przez różne odbiorniki nieliniowe pokazano na rysunku 1:

Jak pokazano na oscylogramach, prąd jest pobierany w postaci krótkiego impulsu w każdej połówce sinusoidy napięcia i taki właśnie prąd musi być dostarczony z systemu energetycznego. Dla podstacji trakcyjnej jest pokazany prąd dla jednej fazy i jest zbliżony do sinusoidy, ale mocno odkształcony.

Na rysunku 2 pokazane są różne konfiguracje najbardziej popularnego prostownika dwupołówkowego bez urządzeń filtrujących napięcie po stronie prądu stałego i różnego rodzaju filtrami. Odpowiednio na rysunkach 3 i 4 są pokazane przebiegi prądu, pobieranego z sieci w różnych wariantach filtracji napięcia. Przebiegi te pokazują, jak bardzo odkształcony jest prąd pobierany przez tak wydawałoby prosty element. O ile pojedynczy odbiornik tego rodzaju wydaje się być mało znaczący dla systemu zasilającego, to przemnożony przez setki tysięcy, a nawet miliony, daje poważne zakłócenie poboru energii z systemu zasilającego.

Rys. 2. Różne konfiguracje prostownika dwupołówkowego z filtrami po stronie prądu stałego