Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet

Transkript

1

2 Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet Aalborg Universitet Basisuddannelsen Titel: Switch mode power supply Tema: Modeller og virkelighed Projektperiode: P1-6. oktober - 19.december, 2003 Projektgruppe: EE - B224 Gruppemedlemmer: Anders Bertelsen Jonas Berg Conradsen Mads Schmidt Jensen Rolf Christensen Dan Møller Kristensen Thomas Wogelius Rico Hjerm Hansen Vejledere: Claus Leth Bak Mette Moesgaard Oplagstal: 15 SYNOPSIS: Denne rapport omhandler konstruktionen af en energirigtig mobiloplader under anvendelse af switch mode teknologi. Derfor undersøges mobiltelefoners indvirken på miljøet med fokus på deres e- nergiforbrug, og af samme årsag behandles relevant lovgivning for udvikling af mobilopladere. Ligeledes bliver der udarbejdet en struktur- og markedsanalyse. Dette skal danne baggrund for implementering af en switch mode power supply(smps) i en mobiloplader. Herefter bliver den grundlæggende teori for konstruktionen af en SMPS gennemgået, hvoraf den fundamentale del af SMPS en, konverteren, bliver fremstillet udfra den opnåede viden. Ved test blev virkningsgraden bestemt til η = 82%, hvilket er betydeligt højere end i konventionelle mobilopladere. Derfor kan det konkluderes, at SMPS en kan være med til at formindske energiforbruget. Specielt når denne type af konvertere kan implementeres i langt de fleste elektriske apparater, der omgiver os. Sideantal: 82 Bilagsantal og -art: 13, vedlagt på CD Afsluttet den:

3 Forord Denne rapport omhandler swicth mode power supply, under temaet "Modeller og Virkelighed". Rapporten er udarbejdet på Aalborg Universitet af 1.års studerende på elektronikretningen, og er til fri afbenyttelse af interesserede. Vi vil gerne takke Stig Munk-Nielsen for hjælp og vejledning, samt Walter Neumayr for assistance på højspændingslaboratoriet. P1 projektets formål er at sætte den enkelte istand til at definere relevante, tekniske, naturvidenskabelige og kontekstuelle begreber. Anvende projektarbejdet som studieform, samt analysere egen læringsproces. Derfor udarbejdes denne rapport og procesanalyse. Rapporten bygger på, at læseren har en grundlæggende viden indenfor matematik og fysik. Rapporten er opbygget i 2 hovedafsnit. Først analyseres hvilke energimæssige faktorer, der påvirker udviklingen af mobiltelefonladere, og de krav der stilles til dem nu og i fremtiden. Herefter vælges den mest anvendelige teknik til løsning af dette problem. Valget blev en buck konverter, da denne har de egenskaber der er ønskværdige i dette projekt. Denne blev fremstillet med et tilfredsstillende resultat. Endeligt konkluderes og perspektiveres fordelene og ulemperne ved produktet. Specielt hvilke energimæssige fordele der er ved implementering af konverteren. Kildehenvisningerne er angivet efter Harvardmetoden [forfatter, årstal] for bøger og artikler. For internettet [www hjemmesidenavn]. For bilag [Nummer - bilagsnavn]. Figurer, grafer, diagrammer og billeder nummereres i kronologisk rækkefølge. Figurerne kan fremkomme på andre sider end ved henvisningerne. 1

4 Indhold 0.1 Indledning Initierende problemstilling for P1 projektet Problemanalyse Energiudviklingen i DK Elforbruget i DK Standby Apparater i husholdningen Energiforbrug for mobiltelefoner El-produktion i Danmark Miljø- og økonomivurdering Struktur- og aktøranalyse Strukturanalyse Aktøranalyse Markedsanalyse Problemformulering Analysemålsætning Værdien af information Analysedesign Implementering Konklusion af markedsanalyse Lovgivning Krav til miljøvenligt design Code of Conduct Elsparefonden Power supplies Lineær power supply Switch mode power supply Konklusion på SMPS konvertere Sammenligning af SMPS og LPS Konklusion på problemanalyse Problemformulering Problemformulering Problemafgrænsning Problemløsning Grundlæggende teori for buck konverteren Dioden Transistoren Spolen Kondensatoren Dimensionering Konklusion på dimensionering Simulering

5 3.7.1 Konklusion på simulering Konstruktion af buck konverter Målinger Konklusion Perspektivering Kildefortegnelse Bøger Internet adresser Artikler Bilag Appendix Hvad er standby? Hvad er virkningsgrad? Spørgeskemaet Kategorisering af mobilladere Måling af elforbruget på mobilopladere Indledende SMPS forsøg Forsøg med vores buck konverter Rippleforsøg Grundlæggende om kondensatoren

6 0.1 Indledning Der kommer flere og flere elektriske apparater i hele verden. Alle disse apparater kræver elektrisk energi for at fungere. De nyeste produkter af denne slags er bærbare, såsom mobiltelefoner og computere. De indeholder alle batterier, så de kan fungere uden direkte netspænding. Men engang imellem skal disse bærbare enheder forsynes med ny energi. Denne energi kommer fra lysnettet og har en spænding på ca. 230 V. Men da de fleste elektriske apparater er bygget til en lavere spænding, er det nødvendigt at transformere spændingen ned. Derfor anvendes en strømforsyning, som efterhånden findes overalt i hjemmet. De strømforsyninger, der bruges til at lade mobile enheder op, har et energitab og bliver derfor varme under brug. Med et stigende fokus på energiforbrug og -spild både på politisk og forbrugermæssig side, er det interessant at se på udviklingen på dette område. Udviklingen går imod flere og flere mobile enheder, som alle skal lades op, for at kunne fungere. Der bliver flere og flere mobiltelefoner med tilhørende ladere, som under brug udgør størstedelen af energispildet i en mobiltelefons levetid Initierende problemstilling for P1 projektet. Hvilke faktorer påvirker udviklingen af mobiltelefonladerer og hvilke krav stilles der til dem nu og i fremtiden? 4

7 Kapitel 1 Problemanalysens opgave er bl.a. at kaste lys på behovet for at udvikle en SMPS. Derfor vil der i første del af problemanalysen blive fokuseret på den danske el-produktion og de miljømæssige konsekvenser heraf. Herudover vil Danmarks energiforbrug og dens udvikling blive gennemgået. Disse punkter bliver gennemgået, både for at undersøge hvor stor miljøbelastningen ved elproduktion generelt er i Danmark, men også for at vise at mobilladere har relevans i den sammenhæng. Afsnit 1.2, Miljø- og økonomivurdering, er en konkluderende og perspektiverende del med nogle konkrete argumenter for, hvorfor det er hensigtsmæssigt at implementere SMPS i mobilladere. Dette er set ud fra et miljømæssigt synspunkt. I de følgende 3 afsnit, 1.3, 1.4 og 1.5, bliver der undersøgt, hvilke samfundsmæssige aspekter der spiller ind, når et projekt skal planlægges. F.eks. taler lovgivningen stærkt for, at energibesparende elektronik skal udvikles. I slutningen af analysen bliver SMPS en sammenlignet med den lineære power supply(lps). Det gøres for at påvise, at en SMPS har den højeste virkningsgrad, og at der hermed er et argument for at implementere denne i mobilladere fremfor en LPS. 1.1 Energiudviklingen i DK Energiproblematikken startede i 70erne med oliekrisen. Før den tid var der ingen bekymringer om, hvorfra energien stammede, og hvilke konsekvenser det ville få, hvis olien ikke blev leveret. Herefter blev der udarbejdet en række energiplaner, der først og fremmest skulle sikre energiforsyningen for industri og private. Senere kom disse energiplaner også til at omhandle energispareplaner, og der indførtes afgifter på el for at reducere forbruget. Først senere blev der lavet tiltag, som skulle begrænse forureningen fra kraftværkerne. Udviklingen forløb jævnt, og der kom flere og flere afgifter på el. Der blev tilføjet CO 2 afgifter og miljøafgifter. Samtidigt blev der lagt langsigtede strategier for elforbruget, og der blev lavet handlingsplaner og tilskudsordninger til energibesparende forbedringer på virksomheder. Ligeledes blev der givet tilskud til vedvarende energikilder og udviklingen af disse. Der blev lavet langsigtede planer for en langsom overgang til vedvarende kilder og mere miljørigtig produktion af energi på kraftvarmeværkerne. [www Energistyrelsen] Elforbruget i DK Danmark er blandt de lande, der har den højeste udledning af drivhusgassen CO 2 pr. indbygger. Det skyldes især et meget højt CO 2 -udslip fra den danske el- og varmeproduktion. Danmarks samlede elforbrug er på godt 30 milliarder kwh om året og giver en årlig CO 2 -udledning på cirka 24 mio. tons. Det svarer til ca. 40 pct. af Danmarks samlede CO 2 -udledning på ca. 60 mio. tons om året. [www Elsparefonden] Husholdningssektoren og den offentlige sektor tegner sig for knap halvdelen af landets elforbrug, med et tilhørende CO 2 -udslip på ca. 10 mio. tons. [www Energistyrelsen] [www Elsparefonden] 5

8 Figur 1.1: Her ses elforbrugets udvikling i husholdningen. Elforbruget for husholdningen har været stigende op gennem 70erne og 80erne, først i starten af 90erne er udviklingen begyndt at staunere, og elforbruget har været nogenlunde stabilt siden da (se figur 1.1). Denne udvikling skyldes, at producenterne af elektronik har forsøgt at mindske energiforbruget, øget fokus på energispild samt diverse mærkningsordninger og de øgede afgifter. Når forbruget så ikke er faldet de sidste 10 år, skyldes det, at der er kommet flere og flere el-apparater i husholdningerne. [www Energistyrelsen] [www Elsparefonden] Standby I de foregående afsnit er begrebet standby blevet anvendt hyppigt, og derfor vil der kort blive præciseret, hvad begrebet indebærer. Når et elektrisk apparat står på standby 1, løber der en konstant strøm gennem apparatet. Strømforbruget kan have flere formål, men i f.eks. et TV vil formålet normalt være at kunne tænde fjernsynet med en fjernbetjening. Det kræver en aktiv signalmodtager, der skal bruge en meget lille effekt. Men selve strømspildet ligger ikke i modtageren. Det ligger derimod i fjernsynets strømforsyning. I apparater med stort standby-forbrug, er strømforsyningen simpelthen ikke designet til at levere så små strømmængder effektivt, og har derfor et relativt stort tab i form af varme. Dette eksempel kan indirekte overføres til mobilladeren. Den skal både kunne levere strøm til ladning, og kunne sidde i stikkontakten, når den ikke lader, uden at bruge al for megen strøm. Det sidste kunne betegnes som standby. At designe en strømforsyning der både kan levere den ønskede strøm til opladning, samt en mindre strøm til standby funktionen er altså at fortrække. [www Radio-TV.Sparel] Apparater i husholdningen I danskernes hjem kommer der flere og flere små el-apparater, såsom telefonsvarere, clockradioer, dvdafspillere, computere af forskellig slags og ikke mindst bærbare enheder, som kræver en ekstern strømforsyning for at kunne oplades. Alle bruger de strøm, både når de bliver brugt eller står på standby. Det ses på figur 1.2 at "små apparater"og "tv, video og PC"udgør 23% af husstandens samlede el-forbrug. Dette er årligt skyld i et energispild på ca. 15% af boligernes elforbrug, eller hvad der svarer til 250 kwh om året for en gennemsnitslejlighed og 650 kwh for et gennemsnitsparcelhus. [www Elsparefonden] Inden for tv og video er energiforbruget stort, og her laves allerede tiltag for at nedbringe især standbyforbruget. På dette område kan producenterne frivilligt få deres apparater mærket med f.eks energipilen, hvis de overholder nogle krav for energiforbrug i forbindelse med standby. Der er mange tiltag på 1 Se appendix side 57 for definition 6

9 Figur 1.2: Her ses elforbrugets fordeling i husholdningen området, og elsparefonden er en af de store danske initiativer til at nedbringe energiforbruget inden for elsektoren. De giver tilskud til projekter og sætter gang i f.eks initiativer på området. [www Energistyrelsen] [www Elsparefonden] Energiforbrug for mobiltelefoner For at mindske et apparats energiforbrug er det vigtigt at vide i hvilken fase apparatet skal ændres. Er det i ladefasen eller i standbyfasen det skal ændres? Er producenterne overhovedet villig til at ændre noget? Det er der blevet lavet en undersøgelse af i miljøstyrelsen.[bilag I - Produktfamilien] Figur 1.3: Energiforbrug inklusiv/eksklusiv standbyforbrug for en mobiltelefon. Ud af figur 1.3 ses det, hvor stor indvirkning en mobillader har på miljøet eksklusiv/inklusiv når laderen bliver siddende i en tændt kontakt efter opladningen, dvs. standby. Det ses, at indvirkningerne stiger kraftigt, når opladeren ikke fjernes fra kontakten. Hvis det samlede energiforbrug for en mobiltelefon med oplader skal mindskes, så skal der både fremstilles mobiltelefoner der holder længe på en batteriopladning, samt opladeren skal effektiviseres. Problematikken med at få mobilerne til at holde længere på en opladning gør producenterne alt hvad de kan for. Men de er ligeglade med effektiviteten på opladeren, så længe den er billig. De går generelt mere op i at udvikle 7

10 mobiler med nye features end at sænke energiforbruget i opladeren. Energiforbruget, som stammer fra standbyforbruget af opladeren, har forbrugeren selv mulighed for at eliminere ved at tage laderen ud af kontakten, når opladningen er færdig. Eller der kan implementeres elektronik eller en mekanisk kontakt, der afbryder laderen når opladningen er færdig. Men under selve opladningen kan forbrugeren ikke gøre noget. Så ved at effektivisere denne fase kan det samlede energiforbrug sænkes El-produktion i Danmark Det vil her blive gennemgået, hvordan el-produktionen foregår i Danmark, idet dette er en væsentlig faktor for, hvilken betydning et givent elforbrug har for miljøet. El-produktionen i Danmark er hovedsageligt fordelt på kul, olie, naturgas og vindkraft, af hvilke vindkraft er den eneste vedvarende. Fordelingen ses på figur 1.4. Af figur 1.4 fremgår det, at i 2002 udgør de fossile brændsler ca. 80% af produktionen, hvoraf kul Figur 1.4: El-produktionens fordeling efter produktionsmetoder. Bemærk at søjlelagene er angivet med bogstaver. Det ses at den kulbaserede produktion er faldet konstant fra 82,2% i 1994 til 45,8% i 2002, mens andelen af naturgas og vindkraft er steget.[bilag II - Energistatistik 2002] er den største med ca. 46%. De vedvarende udgør ca. 20% hvoraf vindkraft er den største med ca. 13%. Problemet ved de fossile brændsler er, at der ved afbrænding blandt andet produceres CO 2, som er en drivhusgas, dvs. den medvirker til drivhuseffekten. Afbrænding af kul giver den største udledning af CO 2, da den producerer 95 kg CO 2 pr. GJ produceret el, mens naturgas giver det halve, ca. 57 kg CO 2 pr. GJ. [Bilag II - Energistatistik 2002] Det er derfor fordelagtigt, at udskifte den kul baserede produktion med naturgas, skønt den også er et fossilt brændstof. Det er endnu bedre at gå over til vindkraft, da denne ingen CO 2 -udledning har ved drift, men kun ved produktion og bortskaffelse af vindmøller. Emmisionen af CO 2 forbundet med produktionen af en kwh ses på figur 1.5. Det ses af figur 1.5, at CO 2 emmisionen pr. kwh el er faldende, men med et udslip på 595 gram CO 2 pr. kwh i 2002 er det stadig interessant at spare på strømmen for at reducere medvirken til drivhuseffekten. Også for at overholde Kyoto aftalen, hvor Danmark har forpligtet sig til at reducere emissionen af drivhusgasser. [Bilag III - EASE rapport] Ved afbrænding af fossile brændstoffer er der også udslip af SO 2 og NO x gasser. NO 2 dannes af NO fra forbrændingen af kul- og olieprodukter, og kan give luftvejsirritationer og astmareaktioner ved indånding. Derudover kan kvælstofilter (NO x er) og svovldioxid (SO 2 ) omdannes til salpetersyre og svovlsyre, og falde som syreregn [Bilag III - EASE rapport]. Disse gasser kan for det meste fjernes ved afsvovlingsanlæg og 8

11 Figur 1.5: Emissionen af CO 2 pr. kwh el er faldet fra 945 gram pr. kwh el i 1990 til 595 gram i Dette skyldes bl.a. at en stigende del af el-produkten er gået over til vedvarende kilder[se figur 1.4]. At det er korrigerede tal betyder, at der f.eks. er korrigeret for klimaudsving.[bilag II - Energistatistik 2002] røgrensning, og der er også sket en udvikling ved at gå over til brændsler med lavere svovlindhold, dvs. fra olie og kul til naturgas og vedvarende energi.[bilag III - EASE rapport] Det skal også bemærkes, at de fossile brændstoffer stiger i pris, efterhånden, som der bliver mindre tilbage, og de bliver sværere tilgængelig. Når 80% af Danmarks el-produktion er baseret på fossile brændstoffer, er det værd at tage med i betragtningen. Den omtalte forurening har også den konsekvens, at strømmen bliver dyre pga. afgifter fastsat af staten, som f.eks. CO 2 afgift, der er 10øre pr. kwh.[www energinord] Dvs. de forurenende omstændigheder omkring el-produktion gør gennem politik, at strømmen bliver dyrere. Konklusion på el-produktion i Danmark De miljømæssige omstændigheder omkring el-produktionen er: 80% af Danmarks el-produktion er baseret på fossile brændsler. Den fossile elproduktion giver anledning til CO 2 udledning og andre drivhusgasser, som i 2002 var 595 gram CO 2 pr. kwh. [figur 1.5 side 9] Danmark er forpligtet til en reduktion af drivhusgasser ifølge Kyoto-aftalen. Der er forbundet udslip af NO x og SO 2 med strømproduktionen, som kan give syreregn. Fossile brændstoffer bliver dyrere efterhånden, som de forbruges og bliver sværere tilgængelig. Forureningen gør gennem politik og regler, at el-energien bliver dyrere. Konklusionen på el-produktionen er, at det er interessant at beskæftige sig med reduktion af energispild ved f.eks. mobilopladere med den nuværende el-produktion. Men hvis f.eks. fremtidens energiproduktion er baseret udelukkende på vedvarende energi, kunne et energispild i princippet være lige meget, da der ikke er forbundet betydelige miljømæssige konsekvenser med det. Men når el-produktionen i dag hovedsageligt er basseret på fossile brændsler og med et stigende energiforbrug, ligger dette sandsynligvis ikke i den nærmeste fremtid. Dvs. der vil være interesse for at spare fremover også. 9

12 1.2 Miljø- og økonomivurdering Denne analyse skal belyse om der er grundlag for at implementere SMPS. Derfor vil dette afsnit behandle hvor stort et omfang forbruget på mobilladere er og hvilke økonomiske og miljømæssige konsekvenser det medfører. Forbruget på en oplader skal deles op i to situationer, en ladefase og en standbyfase. Ladefasen, dvs. det tidsrum mobiltelefonen er til opladning, sættes til 250 gange om året, hvor hver opladning tager 2 timer [Bilag IV - Miljøspecificationer]. Energiforbruget for en lineær strømforsyning i denne fase er udfra 11W +4,5W vores målinger i appendix: Måling af elforbruget på mobilopladere side 63, ca. 2 = 7, 8W. Det giver et energiforbrug pr. år på: E opladning = P t = 0, 0078kW (2 h 250dage) 3, 9kW h (1.1) dag Det tidsrum mobilopladeren sidder i en tændt stikkontakt og mobiltelefonen ikke er til opladning, betragtes som standby-forbruget. I denne fase har den lineære oplader et forbrug på 2,0W +0,84W 2 = 1, 4W, og hvis det antages at den står på standby, når den ikke oplader, giver denne fase et max standbyforbrug pr. år på: E standby = P t = 0, 0014kW ((365 24h) 500h) 11, 6kW h (1.2) Dette tal er naturligvis højt sat, da alle oplader ikke sidder i stikkontakten døgnet rundt. Men for at vurdere om der er et spild af betydeligt omfang, der kan gøres noget ved, er det relevandt at betragte det maximale forbrug. Det ses at det samlede energiforbrug for den lineære oplader bliver: E total,lineaer = E standby + E opladning 11, 6kW h + 3, 9kW h 15kW h. (1.3) Da elprisen i Danmark er ca. 1, 50 kr kw h [www energinord] bliver det max. 23kr pr. oplader pr.år. SMPS opladeren bruger henholdsvis 63% i ladefasen og 74% i standbyfasen mindre strøm, jf. appendix side 63, i de to faser i forhold til den lineære. Derfor bliver der en max besparelse på 10kWh eller 15kr. pr. år, hvis SMPS en konsekvent benyttes. Effektivisering af opladeren vil derfor ikke have den store betydning for den enkelte forbruger. Dvs. hvis SMPS en skal implementeres, er det ikke pga. forbrugernes økonomiske gevinst. Perspektiveret til hele Danmark, hvor antallet af mobiltelefoner er ca. 3,9 mio.[bilag V - Telestyrelsen] bestemt udfra antallet af mobilabonnenter 2, bliver energi forbruget hvis alle ladere er lineære: E lineaer = 3, kW h = kw h (1.4) Dvs. for Danmark samlet har det betydning, idet produktionen af de 60mio. kwh giver anledning til en udledning af en række giftige stoffer. Af disse er CO 2 en af de mest omtalte, og af dette udledes der 595 gram pr. kwh, jf figur 1.5. Derfor er forbruget af lineærmobilladere årligt årsag til en maximal emmision på: kw h 595 gram CO 2 pr. kw h t CO 2 (1.5) De danske husholdningers samlede CO 2 emission var i ,9mio. tons. [Bilag II - Energistatistik 2002] Dvs. opladerne udgør: t 1% (1.6) t 2 Dette tal er et max tal for antallet af mobiltelefoner i brug. Dels fordi en person kan have flere mobiltelefoner og dels bygger undersøgelsen på abonnenter der har være i brug inden for det sidste år. 10

13 1% af husholdningens emmision. Hvis alle opladerne fik implementeret en SMPS i stedet for, ville forbruget pr. lader pr. år være: det samlede forbrug er så: E SMP S = (100% 63%) E opladning + (100% 74%) E standby 5kW h (1.7) og dermed udgøre den samlede emmision: af husholdningens CO 2 udslip. E SMP S = 3, kW h = kw h (1.8) kw h t kw h 3, t 100% = 0, 3% (1.9) Tallene er højt sat, men det giver et godt billede af, at der er et problem. Dog viser vores beregninger, som sagt et max omfang af problemet, men markedsanalysen vil vise at det ikke er helt forkerte antagelser der blev gjort. Herved kan det konkluderes, at det ikke er for den enkeltes økonomiske gevinst, at SMPS en skal implementeres, men miljøemæssigt er der en gevinst for samfundet. Ikke mindst når man tænker på at mobilopladerne kun udgøre en mindre del af de apparater der bruger strømforsyninger. Dvs. at reduktionen af bl.a. CO 2 vil blive endnu større, hvis den implementeres i alle elektriske apparater. [www Energistyrelsen] [www energinord] 1.3 Struktur- og aktøranalyse Dette kapitel omhandler en struktur- og aktøranalyse. En strukturanalyse gennemgår, hvem der laver de rammer staten, markedet og civilsamfund handler under, og hvilken indflydelse de har på hinanden. Aktøranalysen beskriver, hvem der står for udviklingen, og hvem der prøver at føre udviklingen frem. Aktørerne arbejder indenfor de rammer, som der findes frem til i strukturanalysen Strukturanalyse Staten Staten styrer overordnet markedet og civilsamfundet. De vedtager love og regler, afgifter og gebyr, og forbud og påbud. De sørger for, at samfundets love bliver overholdt, og der f.eks tages hensyn til miljøet. Udnytter virksomheder huller i lovgivningen, som medfører miljøforurening, vedtager regeringen love til sikring af samfundet og dets efterkommere. Deres beslutninger har stor indvirkning på markedet, som igen har stor indvirkning på civilsamfundet. [Herman Knudsen 1997] Af relevant lovgivning kan nævnes: Code of conduct Krav til miljøvenligt design af energiforbrugende produkter. Elsparefonden. CE-mærkning. Relevant lovgivning vil blive behandlet senere. Markedet Markedet styres af erhvervsfolk, som hovedsageligt tænker på profit. Markedet er ofte ligeglad med miljø og forurening, blot der sælges mange produkter med profit. Uden lovgivning har virksomhederne frit løb, dvs. ingen begrænsning. Når virksomhederne arbejder for et grønnere miljø, skyldes det hovedsageligt 2 punkter: 11

14 1. Lovgivning. 2. Forbrugerne. Lovgivningen styrer virksomhederne. Overtrædelse medfører bøde, straf eller sanktioner. En overtrædelse kunne medfører forbud mod at sælge et produkt, indtil der er rettet op på produktionen. Indeholder et produkt forbudte kemikalier, kunne markedet forbydes at sælge dem og tilmed trække varerne tilbage. Virksomhedernes profit afhænger af forbrugernes købelyst, derfor har de stor indflydelse på markedet. Civilsamfundet Forbrugerne, også kaldet civilsamfundet, er blevet mere miljøbevidste. Nogle forbrugere sorterer affaldet, andre køber økologiske produkter og igen andre køber shampoo uden skadelige kemikalier. Forbrugerne tænker mere på miljøet, men handler de også ud fra miljøet? Eller handler de ud fra økonomi? Ud fra rapporten Forbrugerne vil gerne købe miljøvenlig elektronik fra miljøstyrelsens hjemmeside [www Miljøstyrelsen] konkluderes det, at forbrugerne tænker på miljøet, men handler anderledes. Når forbrugeren køber elektronik i butikken, oplever forhandleren, at de tænker mere på økonomien end på miljøet. Rapporten konkluderer bl.a., at forbrugerne har stor interesse for miljøet og ønsker at være gode imod det. Grunden til, at de handler anderledes, kunne skyldes uvidenhed, fastslår rapporten. I en spørgerunde fra rapporten [www Miljøstyrelsen] vidste hver anden adspurgte forbruger ikke, at der var miljøproblemer forbundet med fremstilling, ibrugtagning og bortskaffelse af elektronik. I rapporten efterspørger forbrugerne miljømærkninger såsom svanen, blomsten eller energipilen. Rapporten viser også, at hver tredje forbruger godt vil betale ekstra for miljøvenlige produkter. Problemet ligger ikke kun ved forbrugerne, det bæres også videre af forhandlerne. Konkurrencen mellem de forskellige producenter er benhård, og endnu er den ikke nået til konkurrence omkring miljøet. Der er håb om, at i en nær fremtid vil forhandlerne begynde at konkurrere på miljø, ligesom det gøres med prisen på et produkt. Dette kunne være endnu en grund til at implementere SMPS. [www Miljøstyrelsen] [Herman Knudsen 1997] [Marianne Rostgård 1990] Aktøranalyse De aktører, som har interesse i at udvikle teknologien, overvejer, om de kan implementere denne nye teknologi i deres egne produkter for at øge deres profit. En anden mulighed kunne være, at de var blevet betalt for at udvikle teknologien for nogle andre. Under alle omstændigheder gør de det udelukkende for profittens skyld. For at udviklingen ikke løber løbsk, findes der overordnede regler for, hvad der er tilladt og ikke tilladt. Det kaldes for strukturen, og den arbejder aktørerne under. Denne blev behandlet under strukturanalysen. Projektet handler om switch mode teknologien implementeret i mobilladere, som gør laderne mere effektive og derfor energibesparende. For at finde ud af hvilke kræfter, der har indvirkning på denne udvikling, udarbejdes en aktøranalyse. Dette er relevant for projektet, da det ikke er interessant at implementere en SMPS, hvis der er for mange kræfter, der arbejder imod udviklingen af dette. I forbindelse med aktøranalyse er der 3 forskellige parter at se på: Teknologibærerne Aktørerne Interesseparterne Teknologibærerne Teknologibærerne er dem, som i bund og grund træffer den endelige beslutning om, at en teknologi skal udvikles. Men for at blive opfattet som teknologibære, er der 6 punkter, som en aktør skal opfylde: 12

15 1. Aktørerne skal have interesse i at vælge en teknologi og implementere denne. 2. Aktørerne skal have magten og økonomien til at fuldføre punkt Aktørerne skal være tilstrækkelig organiseret for at kunne træffe beslutningen om netop hvilken teknologi der kan løse deres problem. 4. Aktørerne skal have information og viden om eksistensen af teknologien. 5. Aktørerne skal have adgang til teknologien. 6. Aktørerne skal have viden eller kunne fremskaffe den nødvendige viden til at kunne bruge teknologien. Et mobiltelefonselskab kunne f.eks. være interesseret i at blive kendt som et firma med produkter, der er energibesparende og dermed også miljøvenlig. Der findes flere mobilselskaber, som opfylder samtlige ovenstående punkter. Et eksempel kunne være Nokia. De har interessen i at få flere kunder ved at have energibesparende produkter. De har økonomien og magten til at gennemføre sådan en teknologisk udvikling. De er også tilstrækkeligt organiserede til at træffe bestlutningen om, hvilken teknologi de skal bruge. Grundet deres størrelse og markedsandel må de formodes at have adgang til teknologien. De har også viden til at kunne bruge den teknologi, de har fremskaffet. Aktørerne Aktørerne er dem, som ikke opfylder samtlige 6 punkter, men som alligevel har tilknytning til udviklingen. Staten har interesse og indvirkning på udviklingen af SMPS, da de gerne ser Danmark, som et af de førende lande på den teknologiske front, men også på den miljømæssige front. F.eks har EU fastsat nogle grænser for CO 2 -udledning, som skal overholdes. Derigennem ser staten SMPS-teknologien, som et af midlerne til at nå målet. Med dette grundlag kunne staten hjælpe til med støtte. Underleverandøre leverer komponenter og ser selvfølgelig gerne en stigning i salget af deres komponenter til denne teknologi. Forskningsinstituter, som f.eks. universiteter, er med til at udvikle og optimere switch mode teknologien. Men også f.eks [www Dansk Teknologisk Institut], som hjælper med rådgivning og udvikling. Forbrugerne ville være aktøre, hvis de samlede sig i store interesseorganisationer og derigennem fik indflydelse på udviklingen gennem f.eks. lobbyisme. Interesseparterne Dem som opfylder punkt 1. De som har interesse eller ikke har interesse i udviklingen af switch mode teknologien, men som ikke har direkte indvirkning på udviklingen. Andre små firmaer, som ikke selv kan betegnes som teknologibærere, men som ville få glæde af teknologien, når den er udviklet, i deres egne produkter. Forbrugerne, som jo skal købe produkterne. Et andet firma, som har ofret mange penge til udvikling af lineær power supply(lps). De ser helst udviklingen bremset. Mindre miljøorganisationer, som har interesse i at mindske el-forbruget. Der findes mange flere interesseparter, men de valgte, er dem, der ihenhold til projektet, findes vigtigst. Sammenhængen mellem teknologibærerne, aktørerne og interesseparterne ses på figur 1.6. Udfra denne struktur- og aktøranalyse kan det konkluderes, at der er flere kræfter for implementeringen af SMPS-teknologien i mobilladere end imod. Det er kun firmaer, der har ofret mange penge og tid til udviklingen af LPS, der kunne være imod udviklingen af SMPS. [www Dansk Teknologisk Institut] [Herman Knudsen 1997] [Marianne Rostgård 1990] 13

16 Figur 1.6: Teknologibærerne, aktørerne og interesseparter hænger sammen. 1.4 Markedsanalyse I dette afsnit er en markedsanalyse blevet udarbejdet for at undersøge, hvordan forbrugerne tænker, angående standbyforbrug. Det er relevant, at vide om de er villig til at betale mere for et miljøvenligt produkt. Til markedsanalysen benyttes 5-fase modellen.[rolighed, Finn 2000] Problemformulering Problemet der ønskes klarlagt, er forbrugenes vaner for standbyforbrug. Er det et problem, eller tænker forbrugerne over standbyforbruget? Hvis der er et problem, skyldes det så uvidenhed, ligegyldighed eller at forbrugerne ikke tænker på økonomi? Analysemålsætning Det skal undersøges om folk glemmer deres mobiltelfonoplader i stikkontakten, så den bruger unødig strøm. Det skal også undersøges, hvor ofte forbrugerne oplader deres mobiltelefon. Ligeledes skal det undersøges, om forbrugeren tænker på energiforbruget - og om de er villig til at betale ekstra for grønne 3 produkter. Vil forbrugeren være villig til at betale 700kr fremfor 600kr, altså 16% mere for en miljøvenlig telefon. Den optimale gruppe at undersøge, vil have stor aldersforskel, forskellige sociale baggrunde, forskellige slags arbejde og uddannelse, ligeligt med mænd/kvinder etc. Det optimale ville selvfølgelig være at spørge alle mennesker om deres forbrug af standbystrøm, tanker og vaner. Dette er ikke muligt i vores projekt pga. tid og resourcer. Det er derfor valgt, at spørge 20 mennesker, som alle bor på et kollegie. Om denne gruppe kan man sige, at de alle er studerende, cirka mellem år, mand/kvinde og lever på SU. Resultatet af markedsanalysen vil sandsynligvis bære præg af, at de adspurgte er meget ens, og ikke vil kunne repræsentere Danmarks befolkning. Det kan betyde, at resultatet ikke vil blive som forventet. Til analysen forventes følgende: Folk tænker over deres elforbrug. At en lille del er bevidst om, at standbyforbruget har indvirkning på deres elregning. At folk ikke tager deres oplader ud af kontakten eller slukker for kontakten, når de tager deres mobil fra opladeren, fordi de glemmer det. At folk er villig til at købe en mobil fra et miljøbevist mobilselskab. Men det forventes ikke, at folk er indstillet på, at skulle betale mere for en miljøvenlig mobil 3 Med grønne produkter, menes miljøvenlige produkter, som forbruger mindre strøm ved brug og samtidig er miljøvenlig fremstillet. 14

17 1.4.3 Værdien af information Det skal også undersøges, hvad værdien af markedsanalysen er for at tage stilling til, hvor meget man vil ofre på en markedsanalyse. Der skal hele tiden tages højde for, om selve undersøgelsen koster mere end virksomheden kan tjene på at introducere et nyt produkt. Ud fra spørgeskemaet ses det, at ca. halvdelen er villige til at betale ekstra for en mere miljørigtig mobiltelefon. Deraf kan man ikke direkte drage den konklusion, at den "grønne-mobiltelefon vil blive en rentabel forretning. Men køber halvdelen af forbrugerne den, er der et solidt grundlag for implementeringen af SMPS Analysedesign Der laves en deskreptiv analyse, altså der ønskes at belyse omfanget af problemet. Analysen vil blive lavet i form af et spørgeskema, som vil blive uddelt på et kollegie. Analysen vil starte med et indgangsspørgsmål- Har De mobiltelefon?. Dette gøres for at sortere forbrugere væk, som ikke har mobiltelefon, og derved kun spørge folk, som er relevante Implementering Det kan være svært at generalisere ud fra denne undersøgelse 4, da der kun er besvarelser fra 20 personer. Næsten alle(90%) de adspurgte tager deres oplader ud af stikkontakten eller slukker for den, når deres mobil er færdigopladet. Det passer ikke med forventningerne. Før undersøgelsen var forventningen, at folk havde tendens til at glemme opladeren og derved forbruge en masse standbystrøm. Det stemmer ikke overens med, at halvdelen ikke tænker over at gøre noget ved deres elforbrug. Hvad angår køb af mobiltelefoner fra et miljøvenligt selskab, er det ca. halvdelen af de adspurgte, der er villige til at give ekstra for en miljørigtige mobiltelefon. Det var forventet, at flere ville være indstillet på at købe en miljøvenlig mobiltelefon, men at færre reelt var indstillet på at skulle betale mere for den Konklusion af markedsanalyse Udfra spørgeskemaundersøgelsen konkluderes det, at folk er delt i to lejre med hensyn til at gøre noget ved deres elforbrug. Det passer også fint med, at halvdelen ikke tænker over, hvad deres standbyforbrug har at sige på deres elregning. Og hvis de adspurgte skulle spare på strømmen, så ville lidt over halvdelen gøre det af økonomiske grunde, og da der ikke er meget at spare på smps lader, er dette ikke så godt for produktet. Der skal satses mere på det danske marked generelt. [Marianne Rostgård 1990] 1.5 Lovgivning Det stadigt stigende antal elektriske apparater i de danske hjem er en hindring for planerne om at nedbringe det nationale energiforbrug. Den samme problematik gælder samtidigt internationalt. Således er det nødvendigt at regulere markedet for energiforbrugende produkter, så disse udnytter energien bedre med det resultat, at de bruger mindre energi. Energiforbruget er netop den primære årsag til CO 2 - udledningen på verdensplan og dermed også årsag til de miljøproblemer, dette medfører. Reguleringen af markedet for energiforbrugende produkter sker bl.a. ved lovgivning både i EU og Danmark. Derfor vil dette afsnit fokusere på de væsentligste tiltag indenfor miljøpolitikken på europæisk og dansk plan Krav til miljøvenligt design Forslag til europa-parlamentets og rådets direktiv om rammerne for fastlæggelse af krav til miljøvenligt design af energiforbrugende produkter og om ændring af rådets direktiv 92/42/EØF. Således lyder navnet på et EU-direktiv, der netop imødegår den ovennævnte problematik. Direktivet vil 4 Se spørgeskema i appendix side 58 15

18 træde i kraft d. 1. januar år 2006 og vil indføre et nyt begreb i europæisk miljøpolitik, kaldet integreret produktpolitik. Det skønnes, at over 80% af alle produktrelaterede miljøpåvirkninger bestemmes i produktdesignfasen, hvorfor der allerede i starten af produktudviklingen bør stræbes efter at gøre produktet så miljøvenligt som muligt. Dette gøres effektivt vha. en livscyklusperspektivering (beskrives senere), der netop er et grundlæggende princip i den integrerede produktpolitik. Direktivets målsætning er følgende: (a) at sikre den frie bevægelighed for energiforbrugende produkter i EU. (b) at forbedre disse produkters miljøegenskaber og dermed beskytte miljøet. (c) at bidrage til energiforsyningssikkerheden og forbedre EU s konkurrenceevne. (d) at varetage både industriens og forbrugernes interesser. Punkt (a) er en vigtig forudsætning for, at direktivet kan blive en succes. Hvis der stilles forskellige krav om miljøforbedringer i hvert af EU s medlemsskabslande, vil nogle producenter af miljøvenlige energiforbrugende produkter få problemer med at afsætte deres produktion i lande med minimale miljøkrav. En harmonisering af markedet for disse produkter er altså væsentlig. Punkt (b) omhandler livscyklusperspektivet. Hvis en producent vil opnå CE-mærkning, for således at kunne markedsføre et produkt i EU, skal der forelægge en godkendt livscyklusperspektivering af produktet, der gennemgår følgende faser: Fremskaffelse af råmaterialer. Fremstilling. Emballage, transport og distribution. Installering og vedligeholdelse. Anvendelse. Foranstaltninger når produktet er udtjent. Hvor der i hver fase bør indgå overvejelser omkring: Forventet forbrug af materialer, energi og andre ressourcer som f.eks. ferskvand. Forventede emissioner til luft, vand og jord. Forventet forurening på grund af fysiske effekter som f.eks. støj, vibrationer, stråling, elektromagnetiske felter. Forventet mængde affald. Mulighed for genbrug, genvinding og nyttiggørelse af materialer. Desuden gælder der andre parametre i enkelttilfælde. Disse vil være for omfattende af nævne her, men kan findes i EU-direktivets bilag I, punkt 2.3 [Bilag VI - EU-direktiv]. Punkt (c) tager højde for, at EU i stigende grad bliver afhængig af energiforsyning udefra. Samtidigt står EU foran en udvidelse af medlemsskabslande, hvilket ikke forbedrer situation. Da EU har en ringe grad af indflydelse på udbuddet af energi, må efterspørgslen styres for netop at nedbringe afhængigheden af faktorer udenfor EU s grænser. Dermed forbedres EU s konkurrenceevne på verdensplan. Punkt (d) anerkender, at producenterne ikke skal have krav, der ikke kan svare sig økonomisk, og at 16

19 lovgivningen skal indfases, således at udgifterne forbundet med at imødegå det kommende direktiv ikke er urealistiske. Samtidigt varetages samfundets interesser ved at forbedre miljøet og skabe et økonomisk stærkere Europa. Ved de eksterne høringer forbundet med direktivforslaget, har følgende parter deltaget: Siemens, Nokia, Ericsson, Motorola og fra Danmark bl.a. Miljøstyrelsen, Energistyrelsen og Dansk Industri. Heraf er det tydeligt, at netop dette direktiv tages alvorligt af nogle af de væsentligste mobiltelefonproducenter. Deltagerlisten kan ses i fuld længde på side 13 og første bilag side 31 i [Bilag VI - EU-direktiv]. Direktivet er udformet som en rammelov, dvs. den praktiske anvendelse af direktivet er op til myndighederne i hvert af EU s medlemsskabslande. Derfor er det f.eks. den Danske Stat, der bestemmer, hvordan/hvornår producenterne skal kontrolleres. Dog er det værd at nævne, at et produkt kun kan blive udvalgt, hvis det tegner sig for et væsentligt salgsvolumen på EU s marked og har en væsentlig miljøpåvirkning på europæisk plan [Bilag VI - EU-direktiv]. Ud fra forslaget kan det konkluderes, at der i fremtiden vil blive lagt stigende vægt på energibesparende produkter inden for EU. Dette gælder selvfølgelig også for SMPS en Code of Conduct Mens ovenstående direktiv er udformet som rammelov, er EU s Code of Conduct et initiativ, der bygger på frivillighed. Dvs. evt. producenter skriver under på, at de vil overholde de krav der stilles i aftalen. Helt konkret omhandler Code of Conduct krav til standbyforbruget i bl.a. TV-apparater og eksterne strømforsyninger. I denne rapport fokuseres der naturligvis på eksterne strømforsyninger, der netop indbefatter mobiltelefonladere [Bilag VII - Code of Conduct]. Aftalens rammebetingelser er nemlig eksterne strømforsyninger og ladere, der defineres ved, at de sjældent har en on/off-switch og bruger effekt i no-load (passiv standby)[appendix - "Hvad er standby?"side 57] Målet for aftalen er at minimere det passive standby-forbrug i eksterne strømforsyninger med en effekt fra 0,3W til 75W. Se Figur 1.7. Figur 1.7: Tabellen er hentet direkte fra EU s Code of Conduct vedrørende eksterne strømforsyninger. Se også side 4 i [Bilag VII - Code of Conduct]. Dette illustrere målene for det passive standby-forbrug i disse apparater. Passiv standby er i figuren betegnet No-load power consumption. Med sådan et initiativ vil der blive endnu mere fokus på strømbesparende strømforsyninger. Derfor vil der være et endnu større grundlag for at implementere switch mode teknologien i fremtiden Elsparefonden Elsparefonden blev etableret ved lov i december Fonden er uafhængig med egen bestyrelse og tilrettelægger sin virksomhed, så der opnås størst mulig miljøgevinst for fondens midler. 17

20 Blandt fondens vigtigste opgaver er omstilling af elopvarmede boliger og offentlige bygninger til fjernvarme eller naturgas. Desuden tilskynder fonden gennem en produktrettet strategi til udvikling af mere energieffektive apparater, og gennem aftaler om køberpolitik m.v. søger fonden at øge anvendelsen af sådanne apparater. Elsparefonden skal fremme elbesparelser og sikre en mere effektiv elanvendelse i boliger, den offentlige sektor samt i erhvervslivet. Det kan ske ved en kombination af tilskud, rammeaftaler på varer og ydelser, aftaler med producenter og forhandlere om markedsføring af energieffektivt udstyr, information, pris- og markedsoversigter på internet m.m. Loven omkring Elsparefonden relevante paragraffer: Stk. 1. Elsparefonden har til formål at fremme besparelser i elforbruget i boliger og i offentlige institutioner i overensstemmelse med samfundsøkonomiske og miljømæssige hensyn. Stk. 2. Af fondens midler kan der ydes tilskud til udvikling, markedsføring, anskaffelse og anvendelse af elbesparende apparater og udstyr. Det er derfor i Elsparefondens interesse at støtte projekter som udviklingen af SMPS. [www Elsparefonden] 1.6 Power supplies Indledning I det foregående afsnit er der blevet argumenteret for, at der er et energitab ved de nuværende mobilopladere, og at der lovmæssigt bliver krav om, at laderne skal være mere miljøvenlige fremover. Det indebærer bl.a., at de skal have en højere virkningsgrad. Analysen er derfor nået til det punkt, hvor det skal undersøges hvilke typer af strømforsyninger, der eksisterer, og som kunne være interessant at arbejde videre med som løsning til en mere energieffektiv lader. Der vil derfor i de følgende afsnit blive beskrevet de to strømforsyningstyper, lineær power supply(lps) og switch mode power supply(smps). Under SMPS-afsnittet vil der tilmed være en nærmere beskrivelse af de forskellige typer af SMPS er, for at kunne udvælge hvilken type af konvertere, der skal koncentreres om i problemløsningsfasen Lineær power supply En strømforsyning skal omdanne lysnettets vekselspænding til en stabil jævnspænding, som skal være konstant ved et varierende strømforbrug. Blokdiagrammet for den lineær strømforsyning kan samlet ses på figur 1.8. Dette foregår ved at lysnettets vekselspænding først sendes igennem en transformator bestående af to spoler og en jernkerne. Herved opnås at vekselspændingen transformeres ned, og at kravet om galvanisk adskillelse 5 opnås, da energien bliver overført vha. induktion, dvs. magnetiske kraftlinier i jernkernen. Herefter sendes spændingen gennem en ensretter, så vekselspændingen omformes til en pulserende jævnspænding. Dette sker ved hjælp af dioder. Dette signal udglattes nu vha. af en kondensator, som oplades, når spændingen er høj og aflades igen, når spændingen falder, hvorved at udsvingene i jævnspændingen bliver mindre. Det sidste punkt er, at få denne spænding stabiliseret ved et varierende forbrug. Det kan gøres efter flere principper. Et eksempel er en serieregulering, der er et lineært princip, dvs. det foregår kontinuert og analogt hele tiden. [Rasmussen, Egon 2001] Seriereguleringen kan forklares efter figur En adskillelse af to kredsløb, så der ikke kan foregå direkte elektronudveksling 18