|
|
 |
|
|
|
Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika
|
|
|
|
|
|
|
Systemy hybrydowego zasilania oświetlenia są rozwiązaniem na poszukiwanie oszczędności energii elektrycznej i zmniejszenia wydatków z tym związanych oraz sposobem na wykorzystanie zasobów energii odnawialnej. W artykule przedstawiono ogólne zasady doboru elementów systemu hybrydowego oraz omówiono najnowsze trendy w rozwiązaniach technicznych tych elementów i całych systemów, zwiększające pewność działania hybrydowego zasilania oświetlenia, bez względu na porę roku.
Idea wykorzystywania energii odnawialnej pochodzącej z hybrydowych, czyli słoneczno-wiatrowych systemów zasilania, powstała na świecie po przeanalizowaniu wyników badań meteorologicznych. Roczna analiza liczby dni wietrznych i dni słonecznych wykazała pewne niedostatki jednego i drugiego źródła energii. Kilka dni bezwietrznych unieruchamiało znane i stosowane od dawna turbiny wiatrowe. Podobnie było z panelami fotowoltaicznymi, które pracowały tylko wtedy, gdy było jasno i świeciło słońce.
Meteorolodzy wprowadzili współczynnik PSH (Pick Sun Hours), czyli średnią liczbę godzin słonecznych w przeliczeniu na okres roku. Dla Polski ten współczynnik wynosi jedynie 1,5 PSH i jest za mały, żeby w urządzeniach profesjonalnych opierać się jedynie na energii słonecznej. Dlatego połączono oba te systemy w jeden, wyposażony w kontroler, który reguluje przepływ prądu, ładującego akumulator. Kombinacja ta sprawia, że systemy takie są bardziej praktyczne niż systemy oparte tylko na energii wiatrowej lub tylko na energii słonecznej.
Wzrastające zainteresowanie inwestorów gminnych i prywatnych takimi systemami jest podyktowane potrzebą poszukiwania rozwiązań energooszczędnych i ekologicznych, co w konsekwencji powinno przekładać się na zmniejszenie nakładów finansowych w akceptowalnym okresie zwrotu nakładów inwestycyjnych. Zastosowanie technologii OŹE wpisuje się w ogólnokrajowy plan poprawy efektywności energetycznej. Cały obszar oświetlenia elektrycznego, zwłaszcza oświetlenie drogowe i zewnętrzne, posiada dość duży potencjał oszczędności energetycznych oraz, w stosunku do innych systemów zużywających energię (np. systemy grzewcze), okres zwrotu nakładów na nowe technologie jest relatywnie krótszy.
Na rynku europejskim i krajowym istnieje już szeroka oferta różnych rozwiązań systemów oświetleniowych, wykorzystujących odnawialne źródła energii (OŹE). Na podstawie dostępnych informacji o tych systemach wydaje się, że nie wszystkie są właściwe dla naszych warunków klimatycznych i mimo zachęcającej reklamy dostawców można mieć wątpliwości co do pewności ich działania. Potwierdzają to doświadczenia inwestorów w różnych częściach kraju oraz obserwacje własne (np. nieświecące znaki drogowe lub inne elementy informacyjne wzdłuż tras komunikacyjnych).
Pierwsze rozwiązania hybrydowego oświetlenia drogowego zastosowane w Polsce nie zawsze gwarantowały pewność świecenia; często były dobierane przypadkowo i bez wcześniejszego sprawdzenia jakości elementów systemu. Stąd takie oświetlenie hybrydowe działało krótko nawet w porze letniej, a zimą nie działało wcale. Takie doświadczenia przekładają się na nieufność samorządów w szerokim zastosowaniu systemów hybrydowych, mimo że ich obecne parametry przy zachowaniu dbałości o dobór elementów systemów dają gwarancje poprawnego działania, przy coraz atrakcyjniejszej cenie.
Rys.1. Mapa nasłonecznienia i strefy wiatrowe dla Polski
W chwili obecnej energia słońca i wiatru umiejętnie wykorzystana do oświetlenia naszych dróg, ulic, placów i posesji jest bardzo konkurencyjna do systemów tradycyjnego oświetlenia wykorzystującego oprawy z lampami wyładowczymi. Może być zastosowana nie tylko tam, gdzie nie można lub nie jest opłacalne zasilanie opraw z sieci energetycznej, ale również do oświetlenia dróg, wjazdów czy placów.
Niezwykle rozwojowym rozwiązaniem wydaje się być zastosowanie systemów hybrydowych z oprawami LED skojarzonych z siecią energetyczną. Podstawowym źródłem zasilania opraw oświetlenia drogowego jest energia słońca i wiatru, a energia elektryczna jest pobierana w okresach z dużą liczbą dni bezsłonecznych i bezwietrznych. Przełączenie na systemu zasilania opraw odbywa się automatycznie. Gwarantuje to w 100% pewność działania oświetlenia drogowego. Zakładając ponadto, że obecnie projektowane systemy hybrydowe powinny zapewniać świecenie opraw w nawet najgorszych warunkach pogodowych występujących w Polsce (wyłączając nietypowe anomalie klimatyczne objawiające się brakiem wiatru przez okres prawie miesiąca, co nastąpiło m.in. w listopadzie 2009 r.), można oczekiwać zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w oświetleniu drogowym nawet o ponad 90% w stosunku do tradycyjnych instalacji.
Czynnikiem, który w największym stopniu zadecydował o poprawie parametrów hybrydowych systemów oświetlenia zewnętrznego jest dynamiczny rozwój technologii LED. Dzięki niemu dysponujemy obecnie oprawami oświetleniowymi LED o odpowiednich parametrach technicznych i jakościowych. Nowa technologia to coraz większy strumień świetlny opraw, szeroka gama barw światła białego, łatwość sterowania światłem matryc LED oraz długa trwałość, sięgająca nawet 100 tys. godzin i znacznie zmniejszająca koszty eksploatacji. Czynniki te decydują o energooszczędności systemów oświetleniowych LED.
Pozostałe zalety technologii LED, decydujące o coraz powszechniejszym stosowaniu opraw LED w oświetleniu zewnętrznym, to: niewrażliwość na wstrząsy, szybki „zapłon”, czyli uzyskiwanie pełnego strumienia świetlnego zaraz po włączeniu oprawy, brak wrażliwości na częste włączanie i wyłączanie, uzyskiwanie dowolnego sposobu świecenia oprawy poprzez łatwe kształtowanie jej charakterystyki fotometrycznej, bez konieczności stosowania odbłyśników.
Technologia LED to też rozwiązania ekologiczne, bo nie zawierają rtęci. Natomiast konieczność stosowania korpusów metalowych pełniących funkcję radiatorów nie stwarza problemów z utylizacją opraw. Łatwość sterowania matrycami LED i zasilania ich niskim napięciem stworzyło warunki do zasilania ich ze źródeł odnawialnych, co było i jest podstawą rozwoju hybrydowego oświetlenia. Dodatkowe właściwości opraw LED uczyniły z nich zamienniki tradycyjnych opraw ulicznych. Oprawy te mogą też pracować w systemach sterowania oświetleniem drogowym poprzez kilkustopniową redukcję mocy w zadanych porach nocy, reagować na obecność użytkowników drogi, zmieniając siłę światła w zależności od potrzeb lokalnych, itp. W systemach hybrydowych poprawia się tym samym wydajność.
Przy zastosowaniu jednak opraw LED powinniśmy również zdawać sobie sprawę z szeregu ograniczeń. Należy wiedzieć, że oprawy LED powinny pracować w deklarowanym przez producenta zakresie temperatur pracy. Warunki środowiskowe (głównie temperatura otoczenia) wpływa dość istotnie na strumień świetlny i skuteczność świetlną (efektywność) oraz trwałość LED, a także na parametry i stabilność pracy zasilaczy diodowych. Ponadto, same oprawy LED mogą generować wyższe harmoniczne do sieci, przez co mogą zakłócać pracę innych odbiorników. Źle dobrane radiatory i zasilacze mogą powodować istotny spadek poziomu światła opraw w trakcie ich eksploatacji. Oprawy LED składające się z wielu świecących LED, jako małych punktowych źródeł światła, mogą w instalacjach zewnętrznych powodować olśnienie, przeszkadzając np. w kierowaniu pojazdem.
Przed zastosowaniem hybrydowych systemów oświetlenia drogowego nie może zabraknąć przemyśleń i sprawdzenia proponowanych rozwiązań. Przemyślenia powinny być poparte m.in. projektem budowlanym, opisującym warunki techniczne proponowanych rozwiązań, jako najkorzystniejszych dla danego zakresu aplikacji (np. oświetlenie drogi wymaga innych warunków niż oświetlenie palcu czy parkingu). Projekty oświetlenia przestrzeni publicznej, jaką są drogi, ulice, place, parkingi, itp. są wykonywane na podstawie norm europejskich.
Normy PN-EN opisują kryteria projektowania i podają sposoby weryfikacji zaprojektowanych rozwiązań. W projekcie nie może więc zabraknąć obliczeń parametrów oświetlenia obszaru, gdyż jest ono elementem bezpieczeństwa publicznego. Oznacza to, że projektant dysponuje aktualnymi danymi oprawy oświetleniowej i może je zastosować w programach komputerowych liczących oświetlenie, z których najpopularniejszym jest program DIAlux. Dla innych obszarów zewnętrznych (np. terenu posesji prywatnych inwestorów, zagród wiejskich, itp.) nie zawsze może być uzasadnione wykonywanie obliczeń oświetleniowych i opracowywanie projektów oświetlenia.
Natomiast sprawdzenie systemów oświetleniowych powinno polegać na ocenie (najlepiej przed dostawą przez wybranego w przetargu oferenta) czy wszystkie elementy systemu spełniają szereg wymagań potwierdzających, że jest to wyrób bezpieczny, m.in. wymagania bezpieczeństwa użytkowania, potwierdzone aktualną deklaracją zgodności CE wystawioną przez producenta (dotyczy dyrektywy LVD, EMC), wymagania związane z zawartością substancji niebezpiecznych (zgodność z dyrektywą RoHS), itp. Nie zawsze jest uzasadnione żądanie inwestorów dostawy elementów systemów hybrydowych do wstępnej oceny, gdyż są to najczęściej elementy duże i ciężkie, produkowane na zamówienie.
Natomiast należy zagwarantować w umowie na dostawę i/lub montaż systemów spełnienie deklarowanych parametrów dla całego systemu.
Prowadzone prace naukowe i eksperymenty praktyczne pozwalają stwierdzić, że z samej energii słońca w polskich warunkach klimatycznych nie uzyskamy warunków niezawodnego działania systemów hybrydowych, zwłaszcza w porze jesienno-zimowej. Należy liczyć się z brakiem światła w porze wieczorno-nocnej w okresie krótkich zimowych dni. Jest to sytuacja niedopuszczalna dla zapewnienia bezpieczeństwa użytkowników dróg w tym okresie. Teoretycznie istnieje możliwość dobrania paneli fotowoltaicznych o dużych powierzchniach i akumulatorów o większych pojemnościach, ale gabaryty tych elementów wraz z potężniejszym słupem oświetleniowych będą stanowiły rozwiązanie, które po rozwiązaniu problemów wytrzymałościowych konstrukcji może nie być zaakceptowane przez lokalnych mieszkańców.
Z publikowanych w dostępnej literaturze danych wynika, że wartość średnia mocy paneli fotowoltaicznych w okresie jesienno-zimowym może być ponad czterokrotnie mniejsza niż w okresie letnim. Wsparcie więc systemu fotowoltaicznego energią wiatru i nadanie tej formie energii roli priorytetowej jest jedynym rozsądnym rozwiązaniem dla Polski.
Zastosowanie mikroturbin wiatrowych (o mocy do 1000 W) w instalacjach oświetlenia zewnętrznego (na słupach zewnętrznych) istotnie zwiększa pewność świecenia opraw w okresach krótkich dni. Poprawa parametrów elementów systemu hybrydowego w wyniku rozwoju technologicznego w Polsce i za granicą, przy właściwym doborze tych elementów, istotnie zwiększa pewność świecenia opraw w okresach krótkich dni.
Na obecnym rozwoju technologicznym można zagwarantować 100-procentową pewność świecenia opraw. Warunkiem uzyskania takich możliwości jest zapewnieniu odpowiednich parametrów i jakości wszystkich elementów systemu hybrydowego, wcześniejsze sprawdzenie ich współdziałania w warunkach krajowych oraz zapewnienie odpowiedniego serwisu.
Układ połączeń elektrycznych powinien uwzględniać tylko jedno urządzenie sterujące elementami systemu, nie ma obecnie potrzeby instalowania oddzielnych sterowników do turbiny wiatrowej, paneli fotowoltaicznych czy nawet opraw oświetleniowych. Powoduje to zwiększenie zawodności całego układu.
Hybrydowy system oświetlenia zewnętrznego składa się z następujących elementów:
Dobór parametrów elementów systemu hybrydowego zależy od funkcji oświetleniowej, jaką układ ma pełnić. Istotną sprawą jest określenie sposobu posadawiania słupa w gruncie. Słup może być montowany na fundamencie betonowym wkopywanym lub ustawianym na ziemi, bądź może być wkopywany na odpowiednią głębokość.
Panele (moduły) fotowoltaiczne (PV), nazywane również ogniwami lub bateriami słonecznymi, są urządzeniami, które zamieniają bezpośrednio energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Przemiana energii następuje w ogniwach fotowoltaicznych. Najbardziej popularne są ogniwa krzemowe mono- i polikrystaliczne. Panele PV stanowią połączenie określonej liczby pojedynczych ogniw. Moc nominalna paneli fotowoltaicznych zawiera się w zakresie od 5 W do 230 W. Generują napięcie stałoprądowe od 12 do 60 V. W celu uzyskania żądanych parametrów mogą być łączone dodatkowe w większe jednostki.
W celu ochrony przed zniszczeniem panele PV są laminowane, pokryte szybą hartowaną oraz oprawione w aluminiowe ramy. Sprawność paneli fotowoltaicznych krzemowych monokrystalicznych kształtuje się na poziomie od 14 do 17%. Z ostatnich informacji prasowych wynika, że sprawność paneli PV może już sięgać do 30%.
| Charakterystyki prądowo-napięciowe modułu o mocy w funkcji temperatury ogniw: | Charakterystyki prądowo-napięciowe modułu o mocy w funkcji promieniowania słonecznego: |
 |  |
Rys. 2. Widok typowego panelu fotowoltaicznego i jego podstawowe charakterystyki
Turbiny wiatrowe przekształcają energię mechaniczną generowaną przez wiatr na energię elektryczną. W Polsce aż 60% terenu posiada dobre warunki wiatrowe. Zaletą energii wiatrowej są jej ogromne zasoby, przez co odgrywa dużą rolę dla przyszłości krajowej gospodarki. Wady, które występują przy dużych farmach wiatrowych (m.in. hałas, zagrożenia ekologiczne) są w znacznym stopniu zniwelowane przy małych jednostkach mocy, rzędu kilkuset watów. O takich bowiem jednostkach mówi się przy instalowaniu na wierzchołkach słupów oświetleniowych. Obecnie nawet duże jednostki turbin nie generują hałasu powyżej przyjętych norm.
Turbiny wiatrowe o małych mocach mogą mieć różną konstrukcję. Wyróżnia się turbiny z osią obrotu łopat poziomą i pionową. Charakterystycznym parametrem rotora turbiny jest prędkość startowa wiatru, przy której wytwarzana jest już energia elektryczna, np. 2,2 m/s.
Zasadniczym wymaganiem dla turbin jest zapewnienie produkcji energii elektrycznej przy jak najmniejszych prędkościach wiatru oraz jej zabezpieczenie przy bardzo dużych prędkościch wiatru. Ten drugi warunek będzie spełniony przy podwójnym systemie zabezpieczenia przed nadmiernymi prędkościami: hamulec elektromagnetyczny i mechaniczny (odśrodkowy: centrifugal system), z automatyczną nawigacją.
Hamulec odśrodkowy przy silnym wietrze powoduje hamowanie wirnika turbiny. Dzięki temu turbina nadal produkuje energię, ale wirnik nie rozpędza się ponad bezpieczną prędkość obrotową. Precyzyjne zamocowanie turbiny na słupie nie powinno przenosić drgań na konstrukcje słupa. Wymaga się również, aby turbiny posiadały sprawdzoną charakterystykę hałasu. Turbiny z osiami pionowymi są cichsze od turbin z osią poziomą oraz od niższych prędkości wiatru zaczynają generować energię elektryczna. Pod tym względem są bardziej zalecane do systemów hybrydowych stawianych w pobliżu zabudować. Ale są droższe od poziomych.
 |  |
 |  |
Rys. 3. Wygląd przykładowych turbin wiatrowych o osi pionowej
Bardzo ważnym elementem systemu hybrydowego jest mikroprocesorowy kontroler turbiny, który najczęściej pełni szereg dodatkowych funkcji sterujących, kontrolujących i stabilizujących. Np. poprzez funkcję hamowania elektromagnetycznego zabezpiecza turbinę przed nadmiernymi prędkościami, a zwłaszcza przed nadmiernymi prądami. Sterownik nadzoruje prąd ładowania akumulatorów oraz dokonuje ich kontrolowanego rozładowania w celu przedłużenia ich trwałości. Zabezpiecza również akumulatory przed nadmiernym poborem prądu przez oprawę oświetleniową w warunkach niepełnego naładowania. Dzięki tej funkcji akumulatory nie zmniejszają swojej pojemności i mogą być długo eksploatowane. Posiada funkcję śledzenia mocy maksymalnej, przez co efektywnie wykorzystuje moc przekazywaną do opraw LED. Steruje turbiną wiatrową, panelami fotowoltaicznymi i oprawą LED. Moc znamionowa powinna być bardzo precyzyjnie dobrana do mocy turbiny wiatrowej, paneli fotowoltaicznych i oprawy LED.
Kontroler jest wyposażony w funkcję „Night light”, która umożliwia kontrolowanie załączania oświetlenia. Moment załączania jest ustawiany na podstawie napięcia ładowania modułu fotowoltaicznego. Oświetlenie będzie działało od zmierzchu do świtu z możliwością wyłączenia go na ustalony czas w trakcie nocy.
Inne ciekawe funkcje kontrolera to ładowanie przy niewielkich prędkościach wiatru. Ciekawa funkcja to również tzw. funkcja by-pass, pozwalająca na współpracę z siecią energetyczną; w przypadku rozładowania akumulatorów następuje przełączenie na pracę z sieci. To rozwiązanie kontrolera znacznie rozszerza zastosowanie systemów hybrydowych w oświetleniu.
Współczesne kontrolery wyposażony są również w wyświetlacze LCD pozwalające na wizualizację parametrów pracy wszystkich elementów systemu hybrydowego oraz w złącze komunikacyjne RS do komunikacji z komputerem, co z kolei pozwala na rejestrację stanów pracy i nadzór nad systemem.
Parametry i jakość tego elementu systemu hybrydowego decydują o trwałości i efektywności pracy całego układu. Do tych układów predestynowane są wyłącznie akumulatory żelowe, które pozwalają na wielokrotne cykle rozładowania i ładowania bez utraty pojemności. Takie akumulatory są bezobsługowe przez cały okres pracy. Dobrej jakości akumulatory mają trwałość do 10 lat, przy właściwym ich eksploatowaniu, czyli zapewnieniu im obudowy izolacyjnej ograniczającej zmiany temperatury otoczenia w ciepłe i zimne dni.
Szczególnie polecane są do pracy w instalacjach oświetleniowych akumulatory w technologii AGM (absorpcyjna mata szklana). Zaletą takich rozwiązań jest lepsza wydajność prądowa i mocowa nawet przy krótkich czasach rozładowania. Duży wpływ na trwałość akumulatorów ma temperatura otoczenia. Praca w podwyższonych temperaturach bardzo skraca ich żywotność. Stąd nie są zalecane sposoby ich montażu na słupach, gdzie poddawane są działaniu bezpośredniego ciepła słonecznego. Lepsze są rozwiązania polegające na montowaniu ich w izolowanych komorach w betonowych fundamentach lub w specjalnych komorach wyścielanymi powłokami izolacyjnymi, np. zakopywanymi w ziemi obok słupa.
Bardzo wskaze jest zapewnienie łatwej dostępności do akumulatorów, które wymagają okresowej kontroli stopnia ich naładowania. Godne polecenia są rozwiązania, w których akumulatory są umieszczane w fundamentach stawianych na ziemi, a gdy to rozwiązanie nie jest wskazane, w dolnej części słupa, specjalnie do tego celu przystosowanej. Przykładowe rozwiązanie pokazano na rysunku 4:
Rys. 4. Schemat ideowy praktycznego rozwiązania systemu hybrydowego
z wykorzystaniem kontrolera najnowszej generacji
Hybrydowe systemy oświetlenia zewnętrznego stanowią obecnie alternatywę dla rozwiązań tradycyjnych z lampami wyładowczymi. Warunkiem zapewnienia przez te systemy właściwego funkcjonowania oświetlenia zewnętrznego jest przeprowadzenie gruntownej analizy parametrów elementów systemu hybrydowego, wykonanej np. w projektach budowlanych. Projekty powinny uwzględniać wszelkie uwarunkowania związane z terenem, funkcją i parametrami oświetlenia danej przestrzeni urbanistycznej, kategorią wiatrową, wysokością i kształtem słupów oświetleniowych, itp. Pozwoli to inwestorom na wybór rozwiązań hybrydowych gwarantujących możliwie największą pewność działania w każdym okresie eksploatacji bez względu na porę roku.
Artykuł został przygotowany na podstawie referatu wygłoszonego na III Konferencji naukowo-technicznej z cyklu „Energooszczędność w oświetleniu”, zatytułowanej „Efektywność energetyczna w oświetleniu. Nowe wymagania i możliwości”. Poznań, 8 maja 2012 r.
LITERATURA:
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
