Zasilanie oświetlenia zewnętrznego: zastosowanie systemów hybrydowych Autor: Wiesława Pabjańczyk, Przemysław Markiewicz Politechnika Łódzka ( Energia elektryczna czerwiec 2011) Obserwuje się obecnie dwa istotne trendy w oświetleniu zewnętrznym. Z jednej strony dynamiczny rozwój technologii LED pozwala na dysponowanie już wyrobami o odpowiednich parametrach technicznych i jakościowych. Z drugiej, właśnie te innowacyjne źródła światła pozwoliły na efektywne wdrażanie systemów autonomicznego (hybrydowego) zasilania oświetlenia. Wzrastające zainteresowanie inwestorów gminnych i prywatnych takimi systemami jest podyktowane potrzebą poszukiwania rozwiązań energooszczędnych i ekologicznych, co w konsekwencji powinno powodować zmniejszenie wydatków w akceptowalnym okresie zwrotu nakładów inwestycyjnych. Szczególną uwagę należy zwrócić na wykorzystanie energii słońca, zarówno w instalacjach solarnych, jak i fotowoltaicznych. Rozwój tych technologii jest podstawą do twierdzenia, że ceny energii z ogniw fotowoltaicznych zrównają się z ceną energii elektrycznej do 2020 r. w obiektach komercyjnych, a do 2030 r. w powszechnym zastosowaniu. Na rynku europejskim i krajowym istnieje już szeroka oferta różnych rozwiązań systemów oświetleniowych, wykorzystujących odnawialne źródła energii (OZE). 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). Nie ma odwrotu od stosowania technologii OZE w wielu dziedzinach działalności człowieka. Jest też zrozumiałe zainteresowania samorządów gminnych stosowaniem takich rozwiązań, bo to oznacza wpisanie 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. Niemniej w tych dążeniach 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. oświetlenia drogi, przejścia dla pieszych czy parkingu). Projekty oświetlenia przestrzeni publicznej dróg, ulic, placów, parkingów itp. są wykonywane na podstawie norm europejskich. Normy PN-EN opisują kryteria projektowania i weryfikacji zaprojektowanych rozwiązań. W projekcie nie może więc zabraknąć obliczeń parametrów oświetlenia, uzyskiwanego przy danym rozwiązaniu z zastosowanie oprawy LED określonego typu. Oświetlenie dla takich obszarów stanowi bowiem element bezpieczeństwa publicznego. Dla innych obszarów zewnętrznych (np. terenu posesji prywatnych inwestorów, zagród wiejskich itp.) nie zawsze może być uzasadnione wykonywanie obliczeń oświetleniowych.
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. Poniżej przedstawione zostaną ogólne uwarunkowania techniczne j jakościowe dotyczące elementów systemu hybrydowego oświetlenia zewnętrznego z oprawami LED oraz wyniki zarejestrowane w eksperymentalnej instalacji. Eksperymentalna instalacja fotowoltaiczna oświetlenia zewnętrznego W latach 2007-2009 została zaprojektowana i wykonana eksperymentalna instalacja oświetlenia terenu zewnętrznego Politechniki łódzkiej, składająca się z dwóch słupów oświetleniowych z oprawami LED, przy czym jeden słup był zasilany z sieci elektrycznej oświetlenia terenu, drugi zasilał oprawę LED z paneli PV. Instalacja została wykonana w ramach grantu zleconego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Analizę warunków pracy instalacji eksperymentalnej wykonano pod kątem zastosowania tego rozwiązania do celów oświetlenia dróg i ulic, czyli zapewnienia świecenia w okresie rocznego użytkowania oświetlenia. Widok słupa autonomicznego oraz schemat instalacji przedstawiono na rysunku 1. W skład instalacji wchodzą następujące elementy: - 3 ogniwa fotowoltaiczne o mocy znamionowej 70W każdy - regulator - bateria akumulatorów 2 x 110Ah, 12 V - oprawa LED o mocy 52 W Parametry instalacji fotowoltaicznej zostały dobrane z uwzględnieniem uwarunkowań wynikających z akceptowalnej wielkości i ciężaru poszczególnych elementów instalacji oraz warunków klimatycznych dla miejsca jego lokalizacji. Do celów rejestracji parametrów instalacji słupa umieszczono w nim rejestrator. W artykule przedstawiono przykładowo wyniki rejestracji dla dwóch okresów o różnym nasłonecznieniu:
- jesienno-zimowego od 11 listopada do 8 grudnia 2009 r. - letniego od 25 czerwca do 21 lipca 2010 r. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono przebiegi mocy paneli fotowoltaicznych w analizowanych okresach. Dla okresu letniego uzyskano moc maksymalną 150 W, natomiast dla jesiennozimowego moc maksymalna nie przekracza 100 W. Jak widać z zarejestrowanych wyników, w okresie krótszych dni energia słoneczna jest niewystarczająca do dłuższego świecenia opraw LED. Wartość średnia mocy PV w okresie jesienno-zimowym jest 4-krotnie mniejsza niż w okresie letnim. Na rysunkach 4 i 5 zostały przedstawione przebiegi mocy oprawy LED dla obu rejestrowanych okresów. Uzyskiwana w poszczególnych dniach moc oprawy jest w obu przypadkach prawie identyczna, niezależnie od pory roku, natomiast jest funkcją napięcia baterii akumulatorów. W okresie letnim zgromadzona w akumulatorze energia pozwala na kilkugodzinne jej świecenie, natomiast w okresie jesienno-zimowym czas świecenia oprawy wynosi ok. 1 godziny. Czas świecenia oprawy zależy tutaj głównie od ilości energii elektrycznej zgromadzonej w akumulatorach oraz od zaprogramowanej dolnej wartości napięcia progowego akumulatora, po której następuje wyłącznie oprawy w celu zabezpieczenia akumulatorów przed nadmiernym rozładowaniem.
Na rysunku 6 przedstawiono na jednym wykresie przebiegi w czasie mocy fotowoltaiki i mocy oprawy LED dla wybranych dni w okresie letnim. Jako ocenę sprawności instalacji przyjęto stosunek energii elektrycznej pobieranej przez odbiornik (oprawę LED) do energii elektrycznej wytworzonej przez panele fotowoltaiczne. Uzyskane wyniki zostały zestawione w tabeli 1.
Sama energia słoneczna w naszych warunkach klimatycznych może być niewystarczająca do świecenia opraw w całym rocznym okresie użytkowania oświetlenia. Należy liczyć się z brakiem światła w porze wieczorno-nocnej w czasie krótkich zimowych dni. Jest to sytuacja niedopuszczalna dla zapewnienia bezpieczeństwa użytkowników dróg w tym czasie. Teoretycznie istnieje możliwość dobrania paneli fotowoltaicznych o dużych powierzchniach i akumulatorów o większych pojemnościach. Jednak ich gabaryty, wraz z potężniejszym słupem oświetleniowym -po rozwiązaniu problemów wytrzymałościowych konstrukcji nie będą do zaakceptowania przez mieszkańców. W zespole oświetlenia Instytutu Elektroenergetyki Pł podjęte są również prace nad opracowaniem uniwersalnego układu przełączającego zasilanie z OZE na sieć energetyczną, w przypadku, gdy energii słońca i wiatru nie wystarczy do zapewnienia świecenia opraw oświetleniowych. Założeniem tego systemu jest priorytet zasilania autonomicznego. Hybrydowy system oświetlenia zewnętrznego z oprawami LED Zastosowanie mikroturbin wiatrowych (o mocy do 1000 W) w instalacjach oświetlenia zewnętrznego istotnie zwiększą pewność świecenia opraw w czasie krótkich dni. Przy zapewnieniu odpowiednich parametrów i jakości elementów systemu hybrydowego można zagwarantować świecenie w pełnym okresie użytkowania instalacji oświetlenia drogowego bez względu na porę roku. Hybrydowy system oświetlenia zewnętrznego składa się z następujących elementów: - panele fotowoltaiczne (PV), jako źródło energii elektrycznej otrzymywanej z energii słonecznej - turbina wiatrowa (PW), jako źródło energii elektrycznej otrzymywanej z energii wiatrowej wraz z regulatorem - oprawa lub oprawy oświetleniowe z diodami elektroluminescencyjnymi (LED), jako źródło światła, wyposażona w zasilacz (stabilizator) do modułów LED oraz wyłącznik zmierzchowy i (lub) regulator strumienia świetlnego - kontroler urządzenie programowalne sterujące pracą elementów systemu hybrydowego - regulatory sterowania turbiną wiatrową, ładowania i rozładowania akumulatorów - akumulatory do gromadzenia energii słońca i wiatru do zasilania oprawy LED
- słup oświetleniowy, jako konstrukcja nośna dla elementów systemu w odpowiedni sposób posadowiony w fundamencie - zestaw kabli łączących elektrycznie elementy układu - fundament słupa (do wkopywania lub ustawiania na gruncie) Dobór parametrów elementów systemu hybrydowego zależy od funkcji oświetleniowej, jaką układ ma pełnić. 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 o napięciu wyjściowym 0,5 V dc o mocy 2W. Najbardziej popularne są ogniwa krzemowe mono- i polikrytstaliczne. Panele PV stanowią połączenie określonej liczby pojedynczych ogniw. Moc nominalna Pmpp paneli zawiera się w zakresie od 5 do 230 W. Generują napięcie stałoprądowe od 12 V do 60 V. W celu uzyskania żądanych parametrów mogą być łączone 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 proc. Turbiny wiatrowe Turbiny wiatrowe przekształcają energię mechaniczną, generowaną przez wiatr na energię elektryczną. W Polsce aż 60 proc. obszaru kraju posiada dobre warunki wiatrowe. Zaletami 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. Turbiny wiatrowe o małych mocach mogą mieć różną konstrukcję. Wyróżnia się turbiny z osią obrotu łopat poziomą i pionową. Charakterystyczny parametr rotora turbiny to prędkość startowa wiatru, przy której wytwarzana jest już energia elektryczna, np. 2,2 m/s. Bardzo ważnym elementem systemu hybrydowego jest 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 kontrolowanego rozładowania celem 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.
Akumulatory Parametry i jakość tego elementu systemu hybrydowego decydują o trwałości i efektywności pracy całego układu. Do tych układów predysponowane 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 10-12 lat. Szczególnie polecane są do pracy w instalacjach oświetleniowych akumulatory z technologią 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 bezpośredniemu działaniu ciepła słonecznego. Lepsze są rozwiązania polegające na montowaniu ich w izolowanych komorach w betonowych fundamentach. Wnioski Hybrydowe systemy oświetlenia zewnętrznego stanowią obecnie dobrą alternatywę wobec rozwiązań tradycyjnych. Warunkiem ich stosowania jest przeprowadzenie gruntownej analizy techniczno-ekonomicznej oraz opracowanie projektów budowlanych, uwzględniających wszelkie uwarunkowania, związane z terenem, parametrami jakościowymi elementów systemu oraz oczekiwaniami inwestorów. Pozwoli to na wybór rozwiązań gwarantujących pewność działania instalacji w każdym okresie ich funkcjonowania. Zwracać należy szczególną uwagę na jakość akumulatorów oraz parametry turbiny wiatrowej i paneli fotowoltaicznych.
Literatura: 1. Pabjańczyk W., Sikora R., Markiewicz P., Gabryjelski Z., Wpływ warunków środowiskowych na pracę opraw z modułami LED,,,Przegląd Elektrotechniczny nr 10, 2010 r. 2. Mathres B, Nadchodzą duże zmiany. Energetyczne megatrendy 2011,,,Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 2, 2011 r. 3. Luty K., A miało być tak pięknie,,,energetyka Cieplna i Zawodowa nr 2, 2011 r. 4. Szumanowska M., Szumanowski A., Fotoogniwa i turbiny wiatrowe w systemach energetycznych, Ofcyna Wydawnicza PW, 1997 r. 5. Katalogi frmowe ELGO Gostynin, Solar, KENO, Euro LED Lighting, Ceteco, Eco Schubert oraz innych.