STEROWANIE W INSTALACJACH OŚWIETLENIA DROGOWEGO A KOSZTY ENERGII ELEKTRYCZNEJ Autorzy: Marek Kurkowski, Tomasz Popławski, Katarzyna Kurkowska ("Rynek Energii" - czerwiec 2016) Słowa kluczowe: oprawy LED, sterowanie oświetleniem, przepływy energii elektrycznej. Streszczenie. W publikacji zaprezentowano problematykę związaną z przepływami energii biernej pojemnościowej charakteryzującej eksploatację opraw drogowych LED. Omówiono systemy optymalizacji pracy instalacji oświetleniowych. Przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych dotyczących zużycia energii elektrycznej wybranej oprawy LED ze sterowaniem 1-10V. Dokonano analizy wyników pomiarów parametrów elektrycznych drogowych instalacji oświetleniowych ze sterowaniem DALI. Oszacowano koszty przepływu energii elektrycznej. 1. WSTĘP Wraz z zużywaniem się eksploatowanych źródeł i opraw oświetleniowych, zmianą wymagań norm i przepisów, rozwojem nowych technologii a także nowymi inwestycjami w oświetleniu drogowym istotne są zagadnienia związane z modernizacją. Zainteresowani są tu użytkownicy, projektanci, wykonawcy i producenci sprzętu oświetleniowego. Niezbędne jest tu porównanie planowanego zużycia energii (wynikającego z danych znamionowych opraw oraz przewidywanego czasu ich użytkowania) z zużyciem rzeczywistym, które łatwo jest uzyskać po niezbędnym zainstalowaniu liczników energii (zarówno czynnej jak i biernej) [1,2]. Najczęściej niezgodność tych dwóch wartości ma przyczynę w zaliczaniu do zestawu eksploatowanych opraw punktów świetlnych nie eksploatowanych lub uszkodzonych. Różnica może też wynikać z błędnego określenia zużycia składowych energii przez oprawy oświetleniowe. Efektem takich różnic jest brak osiągnięcia zakładanej redukcji zużycia energii elektrycznej przez modernizowaną instalację. Niedoszacowanie mocy opraw (zarówno tych ze źródłami wyładowczymi jak i ze źródłami LED) wynika niestety z podawania przez dostawców w ofertach czy procedurach przetargowych sprzętu oświetleniowego wartości mocy tylko samego źródła światła. Najczęściej stosowane oprawy ze źródłami wyładowczymi mają mieć moc 70, 150 czy 250 W. Oprawy ze źródłami LED mają charakteryzować się mocą znamionową np. 50 lub 100W. Oprawa oświetleniowa jest urządzeniem elektrycznym, którego główną funkcją jest emisja strumienia świetlnego (energia elektryczna jest zamieniana na światło) dlatego też część dostawców podaje (niezgodnie z przepisami) [4] moc samych źródeł. Zarówno oprawy ze źródłami wyładowczymi jak i ze źródłami LED zawierają układy elektroniczne umożliwiające prawidłową pracę tych źródeł. Zużywają one energię, a ponieważ są kombinacją elementów RLC (rów-
nież półprzewodnikowych o charakterystykach dynamicznych) mają charakter obciążeń rezystancyjno indukcyjnych lub rezystancyjno pojemnościowych. Niestety europejski ustawodawca w rozporządzeniu [4] dotyczącym parametrów opraw oświetleniowych uwzględnił tylko współczynnik mocy PF, który określa się według definicji zawartej w normie IEEE 1459-2010 [3] jako: (1) P PF S U1I1 cos1 UhIh cos h U 2 1 h1 U h1 2 h I 2 1 h1 I 2 h gdzie: PF całkowity współczynnik mocy, S całkowita moc pozorna, P całkowita moc czynna, kąty przesunięcia fazowego przebiegów napięć i prądów kolejnych harmonicznych. Wartości określone w przepisach podano w tabeli 1. Tabela 1 Wartości PF dla lamp (opraw) oświetleniowych [4] Wymogi dotyczące funkcjonalności dla bezkierunkowych i kierunkowych (opraw) lamp LED Wymogi dotyczące funkcjonalności dla pozostałych lamp (opraw) kierunkowych (z wyjątkiem lamp : LED i CFL) PF P 2 W brak wymogu 2 W < P 5 W ; PF > 0,4 5 W < P 25 W ; PF >0,5 P > 25 W ; PF > 0,9 0,5 dla P 25 W 0,95 dla P > 25 W Dla wartości współczynnika mocy PF podano odpowiadające im wartości tg (tab. 2). Tabela 2 Wartości tg dla lamp (opraw) oświetleniowych PF 0,4 0,5 0,9 0,928 0,95 2,29 1,73 0,48 0,4 0,33 tg -2,29-1,73-0,48-0,4-0,33 Współczynnik mocy PF określono w przepisach dla pojedynczych opraw ale gdy przeanalizować definicję osprzętu sterującego lampą oznaczającego urządzenie umieszczone pomiędzy źródłem zasilania a co najmniej jedną lampą, zapewniające funkcjonalność związaną z działaniem lamp, np. przekształcające napięcie zasilające, ograniczające pobór prądu przez
lampy do wymaganej wartości, dostarczające napięcia zapłonowego i prądu do nagrzewania wstępnego, zapobiegające zapłonowi na zimno, korygujące współczynnik mocy lub ograniczające zakłócenia fal radiowych widać wyraźnie, że przepisy dotyczące PF powinny być stosowane do instalacji oświetleniowych ze źródłami półprzewodnikowymi. 2. SYSTEMY ZARZĄDZANIA OŚWIETLENIEM Systemy zarządzania oświetleniem jako w pełni profesjonalne a także kompleksowe rozwiązania pojawiły się na rynku dopiero wraz z rozwojem źródeł LED. Zarządzanie oznacza tu monitoring parametrów technicznych urządzeń i możliwość zmian ich wartości. Samo sterowanie daje możliwość dopasowania parametrów fotometrycznych do sytuacji na drodze, generując w ten sposób oszczędności w zużyciu energii elektrycznej. Oprawy LED stały się przełomem w rozwoju systemów zarządzania. Płynna regulacja strumienia świetlnego, wzrost skuteczności świetlnej wraz ze spadkiem prądu zasilającego, brak inercji między sygnałem sterującym a reakcją urządzenia, powszechność i prostota rozwiązań konstrukcji zasilaczy z możliwością regulacji emitowanego strumienia świetlnego - wszystko to pozwala osiągnąć bardzo wymierne korzyści w oszczędzaniu energii elektrycznej. Oszczędności są związane ze stosowaniem programów zmniejszania strumienia świetlnego w określonych godzinach nocnych (rys. 1). Rys. 1. Diagram zmniejszania strumienia świetlnego w godzinach nocnych Diagram przedstawia przykładową scenę świetlną pozwalającą na obniżenie strumienia do odpowiednio 70%, 30%, 50% i 80 % wartości znamionowej.
3. BADANIA EKSPERYMENTALNE Stosowane systemów sterowania powoduje niestety odkształcenia sinusoidy prądu zasilania. Rys. 2. Przebieg napięcia i prądu oprawy LED dla sygnału sterującego 1 V I tak dla sterowania 1-10V sinusoida prądu przy wartości sygnału sterującego na poziomie 1 V zawiera harmoniczne na poziomie 41,5 %. Pozostałe dane pomiarowe zamieszczono w tabeli 3. Tabela 3 Wyniki pomiarów parametrów elektrycznych oprawy LED ze sterowaniem 1-10V Parametry elektryczne Sterowanie 1-10V 10V 5V 1V Prąd zasilania I [ma] 517 342 149 Moc czynna [W] 115 73,5 14,5 Moc bierna [var] -29,1-27,2-28,0 Współczynnik mocy PF [-] 0,97 0,93 0,42 Współczynnik mocy cos [-] 0,97 0,94 0,46 Współczynnik tg -0,25-0,37-1,9 Współczynnik zawartości harmonicznych THD I [%] 8,98 11,0 41,5 Jak widać z przedstawionych w tabeli 1 danych wraz z oczekiwanym dużym spadkiem wartości natężenia prądu zasilania i mocy czynnej oprawy niewielkie zmiany cechują wartość mocy biernej. Natomiast wartości wszystkich 4 współczynników pogarszają się (najbardziej wartość tg - rys 3).
Rys. 3. Przebieg zmian wartości współczynnika tg oprawy LED dla sygnału sterującego 1-10 V Również dla opraw ze sterowaniem DALI zmiany parametrów elektrycznych wyglądają analogicznie (rys. 4). Wraz ze zmniejszaniem wartości strumienia świetlnego opraw następuje spadek wartości prądu zasilania w przedziale (8,4 ; -0,15A), spadek wartości mocy czynnej w przedziale (1,9 ; 0kW) oraz zmniejszenie wartości mocy biernej w przedziale (-380 ; -280var). Rys. 4. Przebieg zmian wartości natężenie prądu, mocy czynnej i mocy biernej opraw LED dla sygnału sterującego DALI Wraz ze zmniejszaniem wartości strumienia świetlnego opraw następuje wzrost wartości współczynnika zawartości harmonicznych THD I w przedziale (2,85 ; 17,88%), spadek wartości współczynnika tg w przedziale (-0,19 ; -9) i spadek wartości współczynnika mocy PF w przedziale (0,98 ; 0,16) (rys. 5). Parametrem, który najbardziej zmniejsza swoją wartość jest współczynnik tg. Nawet przy danych znamionowych (100% emitowanego strumienia świetlnego) przyjmuje on wartość ujemną. Oznaczać to będzie wysokie koszty eksploatacji co
jak napisano wcześniej może być przyczyną braku redukcji kosztów a wręcz czasem ich wzrostu. Rys. 5. Przebieg zmian wartości współczynników THD I, tg, cos opraw LED dla sygnału sterującego DALI Dla zobrazowania takiej sytuacji w tabeli 4 przedstawiono parametry dwóch przykładowych opraw LED. Dla zadanego, przykładowego programu sceny świetlnej wyznaczono prognozowane koszty przepływów energii czynnej i biernej dla instalacji oświetleniowych zawierających 10 sztuk opraw (dane jak w tab. 2). Symulację przeprowadzono dla założonego czasu eksploatacji 5 lat (czas świecenia 4150 h [5]). Tabela 4 Parametry opraw LED Model Moc znamionowa Źródło LED Oprawa LED 1 sterowanie Oprawa LED 2 sterowanie 57 W 9000lm, 350mA 4000K, CRI 70 70 W 10515lm, 530mA 4000K, CRI 70 Tabela 5 Prognozowane koszty przepływów energii opraw LED Model Energia czynna Energia bierna Oprawa LED 1 sterowanie Oprawa LED 2 sterowanie 930 000 kwh 567 300 zł 1 174 635 kwh 716 530 zł -614 660 kvar 614 660 zł -776 747 kvar 776 750 zł
Jak widać z prognoz zamieszczonych w tabeli 5 koszty przepływów energii biernej mogą być nawet wyższe niż energii czynnej. 4. PODSUMOWANIE Instalacje oświetleniowe z oprawami wyposażonymi w diody LED charakteryzują się ujemnym współczynnikiem tg. Jego ujemna wartość wynika z doboru elementów i układów w przekształtnikach współpracujących z emiterami światła. Jak pokazują uzyskane wyniki, zmniejszenie wartości emitowanego strumienia świetlnego uzyskiwane dzięki systemom sterowania, powoduje znaczny wzrost przepływów mocy biernej pojemnościowej a przez to wzrost kosztów eksploatacji. Wyraźnie wynika, iż sterowanie nie powoduje zmian parametrów elektrycznych instalacji oświetleniowej tylko do pewnej wartości (rys 3. 4. i 5.). A zatem oferty firm deklarujące obniżanie wartości emitowanego strumienia niemalże do zera nie uwzględniają faktu powstawania znacznych kosztów wynikających z przepływów energii biernej pojemnościowej. W tego typu instalacjach zachodzi konieczność stosowania układów kompensacji mocy biernej. Ich koszty oraz koszty ich eksploatacji powinny być uwzględniane przy projektowaniu instalacji i w przetargach. LITERATURA [1] Kurkowski M., Mirowski J., Popławski T., Pasko M., Białoń T.: Pomiary mocy biernej w instalacjach niskiego napięcia. Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 92 NR 4/2016, s. 144-147 [2] Kurkowski M., Popławski T., Mirowski J.: Energa bierna a przepisy Unii Europejskiej. Rynek Energii nr 2 (111) 2014, s.18-25 [3] IEEE Std 1459-2010 Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions; IEEE, New York, 2010. [4] Rozporządzenie komisji (WE) nr 1194/2012 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla lamp kierunkowych, lamp z diodami elektroluminescencyjnymi i powiązanego wyposażenia [5] Dz.U. 2012 nr 0 poz. 962 Rozporządzenie ministra gospodarki w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej, wzoru karty audytu efektywności energetycznej oraz metod obliczania oszczędności energii
ROAD LIGHTING CONTROL RELATIVE TO COSTS OF ELECTRICITY Keywords: LED luminaires, lighting control, electric power flows Summary. The paper presents the problems connected with the energy flows capacitive characterized by the exploitation of road luminaires LED. The systems optimization of lighting installations were discussed. The results of laboratory studies on consumption of electricity by selected LED luminaires with 1-10V control were presented. The paper contains analysis of the results of electrical parameters measurements for road lighting systems with DALI control and estimation of the costs of power flow. Marek Kurkowski, dr inż. Wydział Elektryczny Politechnika Częstochowska. Jego badania skupiają się na problematyce związanej z techniką świetlną, projektowaniem oświetlenia, prognozowaniem zużycia energii na oświetlenie, efektywnością energetyczną źródeł, opraw i instalacji oświetleniowych, pomiarami wielkości elektrycznych i nieelektrycznych tarnaslight@wp.pl Tomasz Popławski, dr hab. inż. prof. PCZ, Wydział Elektryczny Politechnika Częstochowska. Jego badania skupiają się na analizach, modelowaniu i prognozowaniu zjawisk związanych z eksploatacją oraz programowaniem rozwoju systemów elektroenergetycznych poptom@el.pcz.czest.pl Katarzyna Kurkowska, lic., Wydział Nauk o Zdrowiu Uniwersytet Medyczny w Białymstoku studentka. Jej badania skupiają się na problematyce związanej z pomiarami wielkości nieelektrycznych katarzynakurkowska93@gmail.com