Hybrydowe systemy zasilania oświetlenia w technologii LED

Panele fotowoltaiczne 

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 

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

Kontroler 

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.

Akumulatory 

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

Podsumowanie 

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.

Hybrid systems of supply of lighting in the led technology

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:

1. Pabjańczyk W.: Hybrydowe oświetlenie wykorzystujące energię słońca i wiatru w przestrzeniach urbanistycznych – uwarunkowania i perspektywy rozwoju. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej EITO 2011, Łódź, październik 2011
2. Pabjańczyk W., Markiewicz P.: Zastosowanie systemów hybrydowych do zasilania oświetlenia zewnętrznego. „Energia Elektryczna” 2011, nr 6
3. Pabjańczyk W., Sikora R., Markiewicz P., Gabryjelski Z.: Wpływ warunków środowiskowych na pracę opraw z modułami LED. „Przegląd Elektrotechniczny” 2010, nr 10
4. Mathres B.: Nadchodzą duże zmiany. Energetyczne megatrendy 2011. „Energetyka Cieplna i Zawodowa” 2011, nr 2
5. Luty K.: A miało być tak pięknie. „Energetyka Cieplna i Zawodowa” 2011, nr 2
6. Szumanowska M., Szumanowski A.: Fotoogniwa i turbiny wiatrowe w systemach energetycznych. Oficyna Wydawnicza PW, 1997
7. Pabjańczyk W.: Nie bójmy się oświetlenia hybrydowego. „Forum Samorządowe” 2011, nr 9/58