Вуличне освітлення на сонячних батареях

Сонце обігріває всі куточки Землі, керує річками та вітром. Його промені вирощують не менше одного квадрильйона тонн всіляких рослин, які, в свою чергу, є їжею для тварин.
Таким чином, ми вже використовуємо сонячну енергію у своїх потребах і всі традиційні джерела енергії (нафта, вугілля, торф) з'явилися на земній кулі завдяки Сонцю.
Людина з найдавніших часів навчався користуватися дарами Сонця. Навіть простий багаття, який зігрівав наших предків тисячі років тому і продовжує це робити зараз, є по суті справи використанням сонячної енергії, яку накопичила деревина. Але Сонце здатне задовольняти і більш масштабні потреби людини. За підрахунками вчених, людство потребує десяти мільярдів тонн палива. Якщо вирахувати кількість таких умовних тонн, які надаються Сонцем протягом року, ми отримаємо фантастичну суму - близько ста трильйонів тонн. Таким чином, люди отримують кількість енергії, що перевищує необхідні ресурси в десять разів. Потрібно тільки взяти це енергетичне багатство. Ось це питання є вкрай актуальним для науки.
Поновлювані джерела енергії важливі не тільки з точки зору диверсифікації технологічної бази електрогенерації. Сьогодні світове співтовариство відчуває серйозну заклопотаність з приводу глобальної зміни клімату.
Як показало дослідження, проведене компанією Exxon Mobile, світові енергетичні потреби щорічно зростають на 1.3% і до 2030 р. збільшаться на 40% порівняно з 2005 р. 40% цього зростання припаде на энергогенерируюший сектор. Відповідно, викиди вуглекислого газу (CO2), пов'язані з сектором енергетики, теж зростуть.
Важливою перевагою систем сонячної фотоенергетики є відсутність викидів вуглекислого газу в процесі роботи систем. Хоча непрямі викиди присутні на інших стадіях життєвого циклу системи, фотоелектричні технології генерують набагато менше викидів на ГВт вироблюваної енергії протягом всього життєвого циклу, ніж технології, що використовують традиційні види палива. Як мінімум 89% викидів, пов'язаних з виробництвом енергії, можна було б запобігти, замінивши традиційні джерела енергії фотоелектричними.
Результатом багаторічної роботи стало такий пристрій як сонячна батарея.
У 2012 році, в Примор'ї буде проходити саміт АТЕС, підготовка до якого активно ведеться вже зараз. Один з проектів АТЕС у Владивостоці - будівництво та реконструкція автошляхів території об'єктів саміту. Однією з головних завдань даного проекту є організація освітлення автодоріг. Темою даного диплома є: «Автоматизоване управління вуличним освітленням». Тема передбачає розгляд можливості застосування даного методу для нашого регіону.
1ІНТЕЛЕКТУАЛЬНЕ ВУЛИЧНЕ ОСВІТЛЕННЯ НА СОНЯЧНИХ БАТАРЕЯХ
.1История створення сонячної батареї
Початковою точкою розвитку сонячних батарей є 1839 рік, коли був відкритий фотогальванічний ефект. Це відкриття було зроблено Олександром Едмоном Беккерелем.
Наступним етапом в історії сонячних батарей стала діяльність Чарльза Фріттса. Через сорок чотири роки після відкриття Беккереля, у 1883 році, Фріттс сконструював перший модуль з використанням сонячної енергії. Основою винаходу послужив селен, покритий тонким шаром золота. Дослідник прийшов до висновку, що дане поєднання елементів дозволяє, нехай в мінімальному ступені (не більше одного відсотка), перетворювати сонячну енергію в електрику.
Зрозуміло, до створення сучасних сонячних батарей було ще далеко. Протягом наступних десятиліть це напрям наукових досліджень розвивалося нестабільно. Періоди інтенсивної діяльності змінювалися різкими спадами. Багато схильні вважати, що історія сонячних батарей веде свій початок з діяльності Альберта Ейнштейна. Зокрема, великий вчений одержав у 1921 році Нобелівську премію саме за вивчення особливостей зовнішнього фотоефекту, а не за обґрунтування знаменитої теорії відносності.
У 30-их роках радянські фізики отримали електричний струм, використовуючи фотоефект. Зрозуміло, коефіцієнт корисної дії (ККД) тоді не вражав. Він не перевищував один відсоток, але і це було серйозним науковим кроком.
Вже в 1954 році група американських вчених домоглася ККД, що досягає шести відсотків. В цьому році світ побачила перша кремнієва сонячна батарея.
У 1958 році сонячна батарея стала основним джерелом отримання електроенергії на космічних апаратах, як радянських, так і на американських. Але прилади продовжували вдосконалювати.
У сімдесятих роках ККД становив десять відсотків. Такі показники були цілком прийнятними для використання альтернативних пристроїв отримання енергії на космічних апаратах, але використовувати сонячні батареї на Землі поки не мало сенсу. Та й коштували сонячні батареї досить дорого. Це пояснювалося дорожнечею матеріалу. Наприклад, ціна одного кілограма кремнію складала близько ста доларів. Тільки в дев'яностих роках намітились певні позитивні зрушення в розвитку альтернативних джерел енергії та сонячних батарей зокрема.
Успішне і стабільне виробництво було налагоджено лише в кінці вісімдесятих. Сьогодні випускаються сонячні батареї мають ККД, трохи перевищує двадцять відсотків.
1.2 Принцип дії сонячної батареї
Перетворення енергії в фотоелектричному перетворювач засноване на фотовольтаическом ефекті (фотоефект), який виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного випромінювання.
Фотоефект - це випускання електронів речовиною під дією світла (і, взагалі кажучи, будь-якого електромагнітного випромінювання)[1]. В конденсованих речовин (твердих і рідких) виділяють зовнішній і внутрішній фотоефект. Зовнішнім фотоефектом (фотоелектронної емісією) називається випускання електронів речовиною під дією електромагнітних випромінювань. Електрони, що вилітають з речовини при зовнішньому фотоефекті, називаються фотоелектронами, а електричний струм, утворений ними при упорядкованому русі в зовнішньому електричному полі, називається фотострумом. Внутрішнім фотоефектом називається перерозподіл електронів по енергетичних станів в твердих і рідких напівпровідниках і діелектриках, що відбувається під дією випромінювань. Він проявляється в зміні концентрації носіїв зарядів в середовищі, що призводить до виникнення фотопровідності або вентильного фотоефекту.
Неоднорідність структури може бути отримана легуванням (додавання невеликих кількостей чи домішок з метою контрольованого зміни електричних властивостей напівпровідника, зокрема, його типу провідності) одного і того ж напівпровідника різними домішками (створення p - n-переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони-енергії відриву електрона з атома (створення гетеропереходів), або ж за рахунок зміни хімічного складу напівпровідника, що приводить до появи градієнта ширини забороненої зони. Можливі також різні комбінації перерахованих способів.
.2.1 P-n перехід або електронно-дірковий перехід
P-n перехід (n-negative - негативний, електронний, p-positive - позитивний, дірковий), або електронно-дірковий перехід - різновид гомопереходов. Зоною p-n переходу називається область напівпровідника, в якій має місце просторове зміна типу провідності від електронної n до діркової p.
При контакті двох областей n - і p - типу за градієнта концентрації носіїв заряду виникає дифузія в області з протилежним типом електропровідності. Дифузія (лат. diffusio - поширення, розтікання, розсіювання) - процес переносу матерії чи енергії з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією[2]. В p-області поблизу контакту після дифузії залишаються нескомпенсовані іонізовані акцептори (негативні нерухомі заряди), а в n-області - нескомпенсовані іонізовані донори (позитивні нерухомі заряди). Утворюється область просторового заряду, що складається з двох різнойменно заряджених шарів. Між нескомпенсированными різнойменними зарядами іонізованих домішок виникає електричне поле, спрямоване від n-до p-області і називається дифузійним електричним полем. Дане поле перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв через контакт - встановлюється рівноважний стан (при цьому є невеликий струм основних носіїв дифузії, і струм неосновних носіїв під дією контактного поля, ці струми компенсують один одного). Між n - і p-областей при цьому існує різниця потенціалів, яка називається контактною різницею потенціалів. Потенціал n-області позитивний по відношенню до потенціалу p-області. Зазвичай контактна різниця потенціалів в даному випадку становить десяті частки вольта. Зовнішнє електричне поле змінює висоту бар'єру і порушує рівновагу потоків носіїв струму через бар'єр. Якщо позитивний потенціал прикладена до p-області, то потенційний бар'єр знижується (пряме зміщення), а область просторового заряду звужується. В цьому випадку зі збільшенням прикладеної напруги експоненціально зростає кількість основних носіїв, здатних подолати бар'єр. Як тільки ці носії минули p - n-перехід, вони стають неосновними. Тому концентрація неосновних носіїв по обидві сторони переходу збільшується (інжекція неосновних носіїв). Одночасно в p - і n-областях через контакти входять рівні кількості основних носіїв, що викликають компенсацію інжектованих носіїв зарядів. В результаті зростає швидкість рекомбінації і з'являється відмінний від нуля струм через перехід, який з ростом напруги експоненціально зростає. Додаток негативного потенціалу до p-області (зворотне зміщення) призводить до підвищення потенційного бар'єру. Дифузія основних носіїв через перехід стає дуже малою. У той же час потоки неосновних носіїв не змінюються (для них бар'єру не існує). Неосновні носії заряду втягуються електричним полем p - n-перехід і проходять через нього в сусідню область (екстракція неосновних носіїв). Потоки неосновних носіїв визначаються швидкістю теплової генерації електронно-діркових пар. Ці пари дифундують до бар'єра і розділяються його полем, в результаті чого через p - n-перехід тече струм Is (струм насичення), який зазвичай малий і майже не залежить від напруги. Таким чином, вольт-амперну характеристику p - n-переходу володіє різко вираженою нелінійністю. При зміні знака U значення струму через перехід може змінюватися в 105 - 106 разів. Завдяки цьому p - n-перехід може використовуватися для випрямлення змінних струмів.
.2.2 Гетеропереход
Гетеропереходом називають контакт двох напівпровідників різного виду і різного типу провідності, наприклад, pGe - nGaAs. Відмінність гетеропереходів від звичайного p-n переходу полягає в тому, що в звичайних p-n переходах використовується один і той же вид напівпровідника, наприклад, pSi - nSi. Оскільки в гетеропереходах використовуються різні матеріали, необхідно, щоб у цих матеріалів з високою точністю збігалися два параметра: температурний коефіцієнт розширення і постійна решітки.
Кількість матеріалів для гетеропереходів обмежена. Найбільш поширеними з них є германій Ge, арсенід галію GaAs, фосфід індію InP, четырехкомпонентный розчин InGaAsP.
1.3 Переваги і недоліки сонячних батарей
.3.1 Переваги
1)головна перевага сонячних батарей - їх гранична конструктивна простота і повна відсутність рухомих деталей.
)сонячні батареї не потребують якомусь паливі і здатні працювати на внутрішніх ресурсах. Власнику не потрібно хвилюватися про збереження приладу і постійно підтримувати його збереження. Сонячні батареї практично не бояться механічного зносу. Та й обслуговування ним ніяке не потрібно.
)невелику питому вагу, невибагливість, максимально простий монтаж і мінімальні вимоги до обслуговування під час експлуатації (зазвичай достатньо лише протирати бруд з робочої поверхні).
дані пристрої здатні прослужити не менше двадцяти п'яти років.
)не варто забувати і про екологічний фактор. Застосовувані технології і матеріали повністю відповідають найвищим екологічним нормам, сонячні батареї не виробляють викидів шкідливих речовин в навколишнє середовище і абсолютно безпечні.
отримання енергії з використанням сонячних батарей дозволяє заощадити чималі фінансові кошти.
)на відміну від традиційних джерел, цей тип ресурсів практично неиссякаем. Отримання традиційних джерел енергії сьогодні стає все більш дорогим задоволенням і серйозно б'є як по кишені простих споживачів, так і по бюджетах багатьох держав.
1.3.2 Недоліки
1)невисокий ККД. Сонячні батареї перетворюють енергію вибірково - для робочого збудження атомів потрібні певні енергії фотонів (частоти випромінювання), тому в одних смугах частот перетворення йде дуже ефективно, а інші частотні діапазони для них марні. Крім того, енергія уловленных ними фотонів використовується квантово - її надлишки, що перевищують потрібний рівень, йдуть на шкідливий в даному випадку нагрів матеріалу фотоперетворювача. Багато в чому саме цим і пояснюється їх невисокий ККД. До речі, невдало вибравши матеріал захисного скла, можна помітно знизити ефективність роботи батареї. Справа ускладнюється тим, що звичайне скло досить добре поглинає высокоэнергетическую ультрафіолетову частину діапазону, а для деяких типів фотоелементів досить актуальне саме цей діапазон, - енергія інфрачервоних фотонів для них занадто мала.
)чутливість до забруднень. Навіть досить тонкий шар пилу на поверхні фотоелементів або захисного скла може поглинути істотну частку сонячного світла і помітно знизити вироблення енергії. В курному місті це потребує частого очищення поверхні сонячних батарей, встановлених горизонтально або похило. Безумовно, така ж процедура необхідна і після кожного снігопаду, і після пилової бурі.
)зменшення ефективності протягом строку служби. Напівпровідникові пластини, з яких зазвичай складаються сонячні батареї, з часом деградують і втрачають свої властивості, в результаті і без того не дуже високий ККД сонячних батарей стає ще менше. Тривалий вплив високих температур прискорює цей процес. Тим не менш, сучасні фотоперетворювачі здатні зберігати свою ефективність протягом багатьох років. Вважається, що в середньому за 25 років ККД сонячної батареї зменшується на 10%. Так що зазвичай набагато важливіше вчасно протирати пил.
)Сонячні батареї неможливо використовувати в більшості районів нашої країни з-за погодних умов і недостатньої кількості сонячних днів.
)Чутливість до високої температури. З підвищенням температури ефективність роботи сонячних батарей, як і більшості інших напівпровідникових приладів, знижується. При температурах вище 100..150°С вони можуть тимчасово стати непрацездатними, а ще більший нагрівання може призвести до необоротного пошкодження. Тому необхідно приймати всі заходи для зниження нагріву, неминучого під палючими прямими сонячними променями. Додатково ускладнює ситуацію те, що чутлива поверхня досить крихких фотоелементів часто закривається захисним склом або прозорим пластиком. В результаті утворюється своєрідний «парник», що посилює перегрів. Правда, збільшивши відстань між захисним склом і поверхнею фотоелемента і з'єднавши зверху і знизу цю порожнину з атмосферою, можна організувати конвекційний потік повітря, природним чином охолоджуючий фотоелементи. Однак на яскравому сонці і при високій температурі зовнішнього повітря цього може виявитися недостатньо. Тому сонячна батарея навіть не дуже великих розмірів може потребувати спеціальної системи охолодження. Справедливості заради треба зауважити, що подібні системи зазвичай легко автоматизуються, а привід вентилятора або помпи споживає лише малу частку виробленої енергії. При відсутності яскравого сонця такого великого нагрівання немає і охолодження взагалі не потрібно, тому що енергія, заощаджена на приводі системи охолодження, може бути використана для інших цілей.
Таблиця 1.1 - Максимальні значення ККД фотоелементів і модулів, досягнуті в лабораторних умовах
ТипКоэффициент фотоелектричного перетворення, %12КремниевыеЅі (кристалічний)24,7 Si (полікристалічний)20,3 Si (тонкоплівкова передача)16,6 Si (тонкоплівковий субмодуль)10,4 III-VGaAs (кристалічний)25,1 GaAs (тонкоплівковий)24,5 GaAs (полікристалічний)18,2 InP (кристалічний)21,9 Тонкі плівки халькогенидовCIGS (фотоелемент)19,9 CIGS (субмодуль)16,6 CdTe (фотоелемент)16,5 Аморфний/Нк кремнийЅі (аморфний)9,5 Si (нк)10,1 ФотохимическиеНа базі органічних красителей10,4 на базі органічних барвників (субмодуль)7,9 GaInP/GaAs/Ge32,0GaInP/GaAs30,3
1.4 Погодні умови і кількість сонячного випромінювання міста Владивостока
Сонячні батареї, у тому числі акумулятори чутливі до перепадів температури. Для визначення доцільності використання сонячних батарей в Приморському краї потрібно знати:
·Температурний режим, а саме визначення середніх мінімумів і абсолютного мінімуму.
·Кількість сонячного випромінювання.
1.4.1 Погодні умови
Який же температурний фон на території нашого краю в нічні години можливий в середині зими. Цей фон можна охарактеризувати такими основними параметрами, як середній мінімум, абсолютний і середній з абсолютних мінімумів температури повітря.
Середній мінімум температури повітря - це величина, отримана шляхом осереднення щоденного відліку щодо мінімального термометру, встановленому в психрометрической будці[3]. Природно, що така температура може істотно відрізнятися від тієї, яку намагаються виміряти за вікном на балконі або ще десь на відкритому повітрі і при цьому звичайним, а не метеорологічним термометром. Середній мінімум температури повітря дає уявлення про переважну температурі протягом місяця в найбільш холодну частину доби і, як показує добовий хід, така температура тримається взимку в середньому кілька годин в кінці ночі і вранці. На цю температуру місцеві умови впливають значно більшою мірою, ніж на середньодобову. При одній і тій же висоті станції над рівнем моря в низинах, улоговинах і вузьких долинах, куди стікає і де застоюється холодне повітря, мінімальна температура може бути нижче, ніж на схилах або вершинах сопок.
У січні середні мінімальні температури повітря в більшості районів краю складають 22-27°C, в горах до 30°C, в південних районах і на узбережжі, в основному, 14-18°C морозу.
В континентальній частині Примор'я абсолютний мінімум реєструється зазвичай тихі ясні морозні ночі при ослабленому турбулентному обмін, тому він ще більш залежний від місцевих умов. А ось на узбережжі така закономірність не спостерігається, тут найчастіше найсильніші морози реєструються при різкому похолоданні з посиленням вітру до штормового, тобто зниження температури здійснюється не за рахунок радіаційного фактора. Найчастіше абсолютний мінімум належить січня, але в окремі роки може відзначатися у лютому і ще рідше в грудні.
Перше місце по числу спостережених абсолютних (історичних) мінімумів займає січень 1915 року, для станцій, відкритих в більш пізні терміни таким є січень 1951 року, а для південної частини краю січень 1931 року. У холодний січень 2000р. був перекритий абсолютний мінімум п. Барабаш (Хасанский район) та п. Кавалерово.
Для більшості континентальних районів краю абсолютний мінімум досягав 40-44°C морозу, у Червоноармійському, Чугуївському та Пожарському районах ще нижче 47-49°C; в західних і місцями у південних районах 36-39°C, а на узбережжі 26-30°C морозу. У Владивостоці абсолютний мінімум (-31.4°C) був зареєстрований у далекому 1931 році.
Звичайно, такі екстремуми явище рідкісне і реєструється 1-2 рази в
-100 років, але середні значення з щорічних абсолютних мінімумів являють собою цілком очікувані величини і є досить реальними показниками самої низької температури повітря. На малюнку 4.1 представлені значення середнього абсолютного мінімуму. Як бачимо, розкид значень досить великий: від -31.8°C п. Глибинне (Красноармійський район) - до 12.8°C морозу в п. Перетворення (Лазовський район). Різниця між абсолютним і середнім мінімумом становить у більшості районів краю 6-9°C, на узбережжі місцями 3-5°C. Аналіз динаміки ходу середньої з мінімальних температур повітря показує наявність позитивного тренда. Порівняно з середніми значеннями, розрахованими за 1980р., ці значення за останні 30 років у більшості районів краю підвищилися на 0.7-1.2°C, а в окремих районах на 2.3-2.9°C.
1.4.2 Сонячне випромінювання
В ясну погоду на 1мІ земної поверхні в середньому падає 1000 Ватт (Вт) світлової енергії сонця[4]. В залежності від місцевості ділянки землі сонячна енергія надходить нерівномірно через хмарності в похмуру погоду, є місця, де сонце світить 320-350 днів в році, а є такі місця, де сонця не буває взагалі. Виходячи з цього, перш ніж ставити сонячні батареї з метою вироблення електрики, необхідно визначити ефективність застосування даного методу.
Як тільки Сонце починає схилятися до горизонту, шлях його променів крізь атмосферу починає збільшуватися, відповідно, зростають і втрати на цьому шляху. Однак і в середній смузі в літній полудень на кожен квадратний метр, орієнтований перпендикулярно сонячним променям, припадає понад 1 кВт сонячної енергії.
Загальна кількість сонячної енергії, що досягає поверхні Землі у 6,7 разів більше світового потенціалу ресурсів органічного палива. Приморський край належить до регіонів Росії, де доцільно використовувати сонячну енергію для цілей енергозабезпечення. Число сонячних днів у році в середньому по Приморському краю становить 310, при загальній тривалості сонячного сяйва більше 2000 годин. По тривалості надходження сонячної енергії, є райони, де кількість днів без сонця всього 26 в році, а тривалість сонячного сяйва 2494 години (п. Прикордонний). На північному узбережжі Приморського краю тривалість сонячного сяйва від 1900 до 2100 годин, на південному - від 2000 до 2200 годин.
В цілому, потужність надходження сонячної енергії на територію Приморського краю становить близько 30 мільярдів кіловат (кВт).
1.5 Традиційні системи управління вуличним освітленням
Сьогодні найбільш розповсюджені газорозрядні лампи вуличного освітлення, заповнені парами ртуті або натрію. Останнім часом спостерігається тенденція переходу на світлодіодні випромінювачі, але в масовому порядку ця технологія поки не застосовується. У традиційних системах управління газорозрядними лампами найважливішу роль відіграють баластні опору або баласти. Баласти обмежують потужність до номінального рівня і широко використовуються для реалізації найпростіших функцій управління.
Індукційні баласти (ІБ) формують кидок струму при подачі живлення, необхідний для підпалу газорозрядної лампи. На етапі сталого світіння індукційний баласт (його ще називають магнітним баластом) обмежує потужність на лампі за рахунок реактивного опору індуктивності (сам баласт не нагрівається). Недолік магнітних баластів - зсув фаз між струмом і напругою виправляють за рахунок застосування конденсаторів і різноманітних схем протифазного включення декількох ламп, що також знижує стробоскопічний ефект[5] від мерехтіння ламп на промисловій частоті. Стробоскопічний ефект показує, як швидко змінюється швидкість тіла при його нерівномірному русі. Розрізняють два типи стробоскопічних ефектів. Перший полягає в тому, що при спостереженні швидко змінюють один одного окремих фаз руху (кожна з яких фіксується в стані спокою) виникає ілюзія безперервного руху. Це пов'язано з інерцію зору, тобто зі здатністю клітин сітківки ока зберігати зоровий образ об'єкта протягом деякого проміжку часу (приблизно 0,1 секунди після зникнення самого зримого об'єкта. І якщо час між появами окремих зображень менше цього проміжку, образи зливаються і рух сприймається як безперервне. На цьому, зокрема, засновано сприйняття руху в кінематографі і телебаченні.
Стробоскопічний ефект другого типу полягає в тому, що при певних умовах виникає, навпаки, ілюзія спокою предмета, який насправді рухається. Уявіть собі, наприклад, якесь обертове тіло, скажімо колесо зі спицями, яке висвітлюється імпульсною лампою, що дає короткі, повторюються через рівні проміжки часу спалаху. Ясно, що спостерігач бачитиме колесо тільки в ті моменти, коли воно виявиться освітленим. Якщо частота обертання колеса в точності збігається з частотою повторення спалахів, колесо буде освітлено кожен раз в одному і тому ж положенні. При досить великій частоті обертання (і спалахів) очей буде зберігати це зорове відчуття протягом проміжків часу між спалахами, і колесо буде здаватися нерухомим. Прилади, в яких використовується цей ефект, називають стробоскопами[6]. В сучасних стробоскопах переривчастого освітлення здійснюється за допомогою імпульсних ламп з регульованою частотою спалахів.
Електронні баласти (ЕБ) - це напівпровідникові пристрої, що забезпечують потрібну послідовність подачі струмів підпалу і підтримки напруги на лампі. ЕБ зазвичай складаються з інвертора перетворюючого струми промислової частоти в струми частотою приблизно 20 кГц. Це дає ряд переваг: усувається стробоскопічний ефект та підвищується яскравість світіння газу за рахунок постійної іонізації на підвищеній частоті. Яскравість світіння різко зростає (на 9%) на частоті близько 10 кілогерц (кГц), і далі плавно зростає при підвищенні частоти приблизно до 20 кГц. Робота на високій частоті дозволяє різко скоротити габарити електронних компонентів, підвищити їх ККД і використовувати для обмеження струму через лампу не індуктивність, а конденсатор, тим самим мінімізуючи втрати електричної потужності. Сучасні ЕБ дозволяють плавно регулювати яскравість світіння і реалізувати різні режими запалювання газорозрядних ламп:
·Миттєвий старт: підпал ламп без попереднього розігріву катодів імпульсом напруги близько 600 У. З енергетичної точки зору це найбільш ефективний спосіб, але він призводить до потужної емісії іонів з поверхні холодного катода, що скорочує термін служби ламп при частому включенні;
·Швидкий старт: одночасна подача енергії запалювання і прогрів катодів. При роботі в такому режимі витрачається певна кількість енергії на постійний підігрів катодів;
·Програмований старт: послідовна подача енергії спочатку на підігрів катодів, а потім на підпал електронної дуги. Цей спосіб забезпечує найбільш тривалий термін служби газорозрядних ламп, високу економічність і максимальну кількість циклів включення - виключення.
ЕБ часто оснащують засобами дистанційного управління контролю. В якості мережевих протоколів зазвичай використовуються LonWorks, DMX-512, DALI, DCI. Наприклад, широко поширений протокол LonWorks, розроблений Echelon Corporation, може використовувати в якості транспортної середовища силовий кабель, по якому подається живлення на лампу. У цьому протоколі визначено методи адресації, маршрутизації і управління. Таким чином, ЕБ є своєрідним «вимикачем» для ламп вуличного освітлення, забезпечуючи енергозбереження, продовження ресурсу ламп і дистанційне керування. Для автоматизації включення і вимикання ламп вуличного освітлення найчастіше використовують датчики рівня освітленості. Алгоритм роботи таких систем гранично простий: при зниженні рівня яскравості нижче заданого порогу лампи включаються і вимикаються при перевищенні порога спрацьовування.
До недоліків таких систем можна віднести труднощі калібрування датчиків, чутливість датчиків до забруднення, неможливість реалізації енергоощадних алгоритмів роботи (наприклад, затемнення або виключення частини ламп в глухе нічний час, коли повне освітлення не потрібне).
Альтернативним методом автоматичного керування в системах вуличного освітлення є використання графіка включень і виключень освітлення. При такому підході контролер на підставі дати, дня тижня (будні чи вихідні) і часу доби включає або вимикає освітлення. Цей метод є простим і ефективним.
1.6 Системи автоматичного керування вуличним освітленням
Системи автоматичного управління вуличним освітленням зазвичай працюють під управлінням зонального контролера або сервера. В залежності від алгоритму керування, контролер формує сигнал, наприклад, включення групи вуличних ліхтарів. Для передачі цього сигналу на виконавчі пристрої (зазвичай електронні баласти ламп вуличних ліхтарів) використовуються такі засоби:
·слабкострумові сигнальні лінії (виті пари, RS-485, Ethernet тощо);
·радіоканал;
·GSM-канал;
·передача сигналу з силового кабелю.
Таблиця 1.2 - Порівняння способів передачі сигналів управління
Слабкострумове управлениеGSMканалСиловые лінії электропередачиРадиоканал12345Адресация (економічно доцільне)Можливо управління окремими лампамиТолько групове управлениеТолько групове управлениеТолько групове управлениеСпособ управленияЦифровой протокол керування наприклад на основі календарного графикаТелефонный дзвінок або SMS на контролер в шафі управленияУправление по силовому кабелю, підключеному до контроллера в шафі управленияПередача радіосигналу з диспетчерською приймач в шафі управленияФакторы, впливають на надежностьНакопление помилки відліку времениЗависимость від завантаженості публічної мережі оператора GSM.При відмові потрібно ручне переключення кабелю.Перешкоди можуть викликати неможливість прийому сигналу управленияТрудозатратыВысокие робота Низькі трудовитрати за рахунок використання мережі публічного использованияПри індивідуальному управлінні лампами прокладка кабелів трудозатратнаВысокие трудовитрати при установці приемопередатчиковОхват территорииПривязка до міста/областиЗона дії стільникового сетиДлина контрольного силового кабелю не може перевищувати 1 км. Управління можливо лише в зоні впевненого прийому радіосигналу.Розмір территорииРайон міста, невеликий населений пунктГород і найближчий пригородОграниченная территорияГород і передмістя, територія вздовж автострадСтоимостные факторыИндивидуальный блок управління в кожному фонареАбонентская плата та плата за з'єднання, передачу сообщенийСтоимость прокладки індивідуальних силових кабелейСтоимость обладнання диспетчерської, релейних станцій і приемниковФакторы, впливають на вартість техобслуживанияПостоянно необхідна коригування таймераВысокие витрати на ремонт электрооборудованияТребуется кваліфікований менеджер
.6.1 Використання фотореле
Фотореле призначений для включення і виключення освітлення при зміні інтенсивності денного освітлення. Широкий діапазон налаштування чутливості дозволяє використовувати фотореле для керування вуличним освітленням. Світлочутлива фотореле використовується для економії електроенергії. Фотоелектронний датчик реагує на освітлення навколишнього середовища з настанням сутінків. Фотоблок починає розігрів ламп з настанням сутінкового часу, і при зміні освітленості напруга на виході приладу збільшується. З настанням світанку напруга на виході падає, і прилад входить в режим очікування сутінкового часу. Не вимагає регулювання освітленості. Мікропроцесорне управління дозволяє стабілізувати вихідну напругу, запобігаючи стрибки змінного струму.
Використання фотореле дозволяє організувати дешеву систему управління вуличним освітленням. Однак датчики, що використовуються в фотореле, чутливі до забруднення. Також вони вимагають дуже точного налаштування. Якщо неправильно розташувати датчик, то із заходом сонця його може закрити тінь від стоять поруч дерев, будинків, рекламних щитів і так далі. У зв'язку з цим освітлення включиться передчасно. Важливо пам'ятати використовувати фотореле, з зовнішнім датчиком, можна на досить відкритій місцевості. На рисунку 1.4 показано фотореле вітчизняного виробництва.
Переваги: невеликі розміри і маса приладу, низька споживана від мережі потужність, герметичний сенсор з проводом 2 метри.
Недоліки: невисокий рівень захищеності приладу.
Технічні характеристики:
·номінальна напруга мережі - 220 Вольт (В);
·номінальна частота - 50 Герц (Гц);
·комутований струм, не більше - 15 Ампер (А), на розмикання не більше - 5А;
·затримка включення/вимикання 5/15 секунд;
·потужність, споживана від мережі, не більш - 0,4 Вт;
·габаритні розміри - 18/65/90 міліметрів (мм);
·ступінь захисту - IP 20;
·маса - 90 грам (г);
·інтервал робочих температур від -40 0С до +40 0С.
1.6.2 Використання GSM - модему
Сучасні системи автоматичного керування вуличним освітленням з використанням GSM - модему будують по трирівневій архітектурі:
·Блок безпосереднього управління лампою або групою ламп в ліхтарі вуличного освітлення
·Шафа зонального рівня управління (вулиця або квартал)
·Центральний сервер території
У такій системі будь-яку лампу можна увімкнути або вимкнути сигналом з центрального сервера. Це досягається застосуванням блоків безпосереднього управління лампою. Розплата за подібні зручності - висока вартістю апаратної частини.
Система індивідуального управління кожної лампою по GSM-каналу на практиці не застосовується із-за високої вартості GSM-модемів та необхідності встановлення індивідуальних SIM-карт в кожен блок і подальшого обліку витрат. Тому GSM-канал використовують тільки на рівні зонального шафи управління.
Трирівневий принцип побудови систем управління освітленням поширюється не тільки на методи дистанційного керування включенням або виключенням окремих ламп, але і на функціональні можливості системи.
Малюнок Схема розташування світильників під управлінням фотореле
·Індивідуальне управління з допомогою інтелектуальних ЕБ;
·Зональне управління освітленням з дистанційним регулюванням потужності;
·Зональне управління освітленням з телеметрією.
1.6.3 Використання GPS приймачів
Цікавий метод управління вуличним освітленням згідно із зовнішнім рівнем освітленості запропонувала корейська фірма Stwol. Замість фотодатчика застосували вбудований GPS-приймач і обчислювальний пристрій. Знаючи координати географічного розташування контролера вуличного освітлення та астрономічний час, що отримується із супутників системи глобального позиціонування, обчислювач визначає точний час заходу і сходу сонця. Контролер включає освітлення за 15 хвилин до настання сутінок (моменту, коли центр сонця знаходиться під 6° над горизонтом) та вимикає освітлення через 10 хвилин після сходу сонця в даній точці земної кулі. Очевидно, що дана система нечутлива до оптичного забруднення і неточною калібрування фотодатчиків.
Малюнок Схема управління вуличним освітленням за допомогою GSM-каналу
2ОБЛАДНАННЯ ТА ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
1 Світлодіодні світильники
Різноманітні світлодіодні світильники є радикально новим типом освітлювальних приладів, що представляють собою фактично переорієнтацію від лампи як джерела світла до транзистору. Напівпровідниковий діод в світлодіодних світильниках перетворює енергію електричного струму в світлову. Технологією майбутнього світлодіодні світильники називаються завдяки економічній витраті електроенергії. Один потужний світлодіодний світильник споживає 12-15 Вт.
Завдяки високому ККД і відсутності інфрачервоного випромінювання будь світлодіодні світильники під час роботи практично не нагріваються. Існуючі нині світлодіодні світильники складаються з десятків, а іноді сотень світлодіодів. Якість кольорового світла - поки ще неперевершене досягнення світлодіодних технологій. Принциповою відмінністю світлодіодних світильників від всіх інших є їх безпрецедентно великий термін служби (до 100 000 годин).
2.2 Фотоелектричний перетворювач
Фотоелектричний (ФЕ) перетворювач - пристрій на основі напівпровідникових фотоелементів, призначене для перетворення світлової енергії в електричну.
температура експлуатації і зберігання: -40..+50 °С;
гарантія якості 25 років.
2.3 Акумулятори
В системах безперебійного живлення можуть використовуватися чотири основних різновиди акумуляторів (АКБ):
) Стартерні автомобільні малообслуговувані (перевірка рівня електроліту раз в рік і доливання дистильованої води при необхідності). Термін служби, при оптимальних умовах експлуатації 3 - 5 років.
) Стартерні автомобільні герметичні необслуговувані. Термін служби, при оптимальних умовах експлуатації 3 - 6 років
) Стаціонарні типу AGM. Стаціонарні акумулятори (АКБ) типу AGM, майже такі ж як стартові необслуговувані, але мають адсорбований електроліт (він як би не рідкий, т. к. знаходиться в порах скловолоконних сепараторів) і строк їх служби при дотриманні вимог (наприклад, не залишати розрядженими більше 24 годин або заряджати не на 100 % і т. п.) не 6, а 12 років. Термін служби, при оптимальних умовах експлуатації до 12 років.
) Стаціонарні типу GEL (гелієві). Стаціонарні АКБ типу GEL (гелієві), електроліт у них в особливих сепараторах, вони трохи дорожче ніж AGM, але ось вони дійсно рази в 1,5 - 2 більш стійкі до глибоких розрядів, недозарядам і т. п. ніж AGM. Конструкція гелієвих акумуляторів зазвичай являє собою модифікацію звичайного свинцево-кислотного автомобільного або корабельного акумулятора. До електроліту додається гелієвий компонент для скорочення руху всередині акумулятора. У багатьох гелієвих акумуляторах також використовуються одноходовые клапани замість відкритих повітряних клапанів, це сприяє тому, що виділяються гази знову розчиняються у воді всередині акумулятора, пригнічується газоутворення. В акумуляторах на «глейових елементах» виключено пролиття навіть у разі поломки. Гелієві акумулятори глибокого циклу, рекомендується використовувати в сонячних системах електропостачання. Термін служби цих акумуляторів розрахований на експлуатацію в циклічному режимі.
2.4 Програмне забезпечення
Мережі вуличного освітлення є істотною частиною структури комунального господарства міст, селищ і великих підприємств. Сучасні мережі вуличного освітлення - це енергоємні об'єкти, правильна побудова яких важливо для їх ефективної роботи, раціонального використання і мінімізації втрат енергоресурсів. Впровадження нових технологій автоматизації мереж освітлення дозволяють не лише вирішувати ці завдання, а також полегшити обслуговування і моніторинг. В даний час значна частина обладнання районних та міських мереж освітлення морально і фізично старіє і постає питання про його оновлення. Крім того, сучасні системи автоматизації - це не просто данина моді, вони мають і економічні переваги:
в автоматичному режимі суворо дотримується розклад, тому що виключається вплив людського чинника;
немає необхідності виїжджати на перевірку включення або відключення освітлення;
у разі відключення освітлення не відбувається втрат електроенергії, т. до диспетчер оперативно про це сповіщається і приймає відповідні заходи (раніше про відключення повідомляли через кілька годин громадяни - втрати могли бути значними);
для здійснення технічного обліку енергії немає необхідності виїжджати та знімати показання з лічильників візуально;
більш надійна система, побудована з сучасних компонентів, вимагає менше витрат на своє обслуговування.
ВИСНОВОК
Використання сонячних батарей у даний час активно застосовується у багатьох країнах світу. Тема даного диплому, в першу чергу передбачає можливості використання сонячних батарей і організацію освітлення в місті Владивосток.