Автоматизированное управление уличным освещением

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги и в значительной мере влияют на экономику многих государств.

Всё это заставляет жителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. И это вполне естественно. Ведь именно Солнце даёт жизнь нашей планете и обеспечивает нас теплом и светом. Солнце обогревает все уголки Земли, управляет реками и ветром. Его лучи выращивают не менее одного квадриллиона тонн всевозможных растений, которые, в свою очередь, являются пищей для животных.

Таким образом, мы уже используем солнечную энергию в своих нуждах и все традиционные источники энергии (нефть, уголь, торф) появились на земном шаре благодаря Солнцу.

Человек с самых древних времён учился пользоваться дарами Солнца. Даже простой костёр, который согревал наших предков тысячи лет назад и продолжает это делать теперь, является по сути дела использованием солнечной энергии, которую накопила древесина. Но Солнце способно удовлетворять и более масштабные потребности человека. По подсчётам учёных, человечество нуждается в десяти миллиардах тонн топлива. Если высчитать количество таких условных тонн, которые предоставляются Солнцем в течение года, мы получим фантастическую сумму - около ста триллионов тонн. Таким образом, люди получают количество энергии, превышающее необходимые ресурсы в десять раз. Нужно только взять это энергетическое богатство. Вот этот вопрос и является крайне актуальным для науки.

Возобновляемые источники энергии важны не только с точки зрения диверсификации технологической базы электрогенерации. Сегодня мировое сообщество испытывает серьезную озабоченность по поводу глобального изменения климата.

Как показало исследование, проведенное компанией Exxon Mobile, мировые энергетические потребности ежегодно возрастают на 1.3% и к 2030 г. увеличатся на 40% по сравнению с 2005 г. 40% этого роста придется на энергогенерируюший сектор. Соответственно, выбросы углекислого газа (CO2), связанные с сектором энергетики, тоже возрастут.

Важным преимуществом систем солнечной фотоэнергетики является отсутствие выбросов углекислого газа в процессе работы систем. Хотя непрямые выбросы присутствуют на других стадиях жизненного цикла системы, фотоэлектрические технологии генерируют гораздо меньше выбросов на ГВт вырабатываемой энергии на протяжении всего жизненного цикла, чем технологии, использующие традиционные виды топлива. Как минимум 89% выбросов, связанных с производством энергии, можно было бы предотвратить, заменив традиционные источники энергии фотоэлектрическими.

Результатом многолетней работы стало такое устройство как солнечная батарея.

В 2012 году, в Приморье будет проходить саммит АТЭС, подготовка к которому активно ведётся уже сейчас. Один из проектов АТЭС во Владивостоке - строительство и реконструкция автодорог территории объектов саммита. Одной из главных задач данного проекта - является организация освещения автодорог. Темой данного диплома является: «Автоматизированное управление уличным освещением». Тема предполагает рассмотрение возможности применения данного метода для нашего региона.

уличное освещение солнечный батарея

1 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УЛИЧНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ

1.1 История создания солнечной батареи

Начальной точкой развития солнечных батарей является 1839 год, когда был открыт фотогальванический эффект. Это открытие было сделано Александром Эдмоном Беккерелем.

Следующим этапом в истории солнечных батарей стала деятельность Чарльза Фриттса. Через сорок четыре года после открытия Беккереля, в 1883 году, Фриттс сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии. Основой изобретения послужил селен, покрытый тонким слоем золота. Исследователь пришёл к выводу, что данное сочетание элементов позволяет, пусть в минимальной степени (не более одного процента), преобразовывать солнечную энергию в электричество.

Разумеется, до создания современных солнечных батарей было ещё далеко. В течение последующих десятилетий это направление научных исследований развивалось нестабильно. Периоды интенсивной деятельности сменялись резкими спадами. Многие склонны считать, что история солнечных батарей ведёт своё начало с деятельности Альберта Эйнштейна. В частности, великий учёный получил в 1921 году Нобелевскую премию именно за изучение особенностей внешнего фотоэффекта, а не за обоснование знаменитой теории относительности.

В 30-ых годах советские физики получили электрический ток, используя фотоэффект. Разумеется, коэффициент полезного действия (КПД) тогда не впечатлял. Он не превышал один процент, но и это являлось серьёзным научным шагом.

Уже в 1954 году группа американских учёных добилась КПД, достигающего шести процентов. В этом году свет увидела первая кремниевая солнечная батарея.

В 1958 году солнечная батарея стала основным источником получения электроэнергии на космических аппаратах, как на советских, так и на американских. Но приборы продолжали совершенствовать.

В семидесятых годах КПД составлял десять процентов. Такие показатели были вполне приемлемыми для использования альтернативных устройств получения энергии на космических аппаратах, но использовать солнечные батареи на Земле пока не имело смысла. Да и стоили солнечные батареи весьма дорого. Это объяснялось дороговизной материала. Например, цена одного килограмма кремния составляла около ста долларов. Только в девяностых годах наметились определённые позитивные сдвиги в развитии альтернативных источников энергии и солнечных батарей в частности.

Успешное и стабильное производство было налажено только в конце восьмидесятых. Сегодня выпускаемые солнечные батареи имеют КПД, немногим превышающий двадцать процентов.

1.2 Принцип действия солнечной батареи

Преобразование энергии в фотоэлектрическом преобразователь основано на фотовольтаическом эффекте (фотоэффекте), который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Фотоэффект -- это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения)[1]. В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект. Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Неоднородность структуры может быть получена легированием (добавление небольших количеств примесей с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости) одного и того же полупроводника различными примесями (создание p - n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны. Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

1.2.1 P-n переход или электронно-дырочный переход

P-n переход (n-negative - отрицательный, электронный, p-positive - положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход - разновидность гомопереходов. Зоной p-n перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.

Рисунок 1.1 - Электронно-дырочный переход.

При контакте двух областей n- и p- типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия в области с противоположным типом электропроводности. Диффузия (лат. diffusio -- распространение, растекание, рассеивание) -- процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией[2]. В p-области вблизи контакта после диффузии остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области -- нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт -- устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга). Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта. Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение), а область пространственного заряда сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p -- n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает. Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p -- n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p -- n-переход течёт ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения. Таким образом, вольт-амперная характеристика p -- n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 105 -- 106 раз. Благодаря этому p -- n-переход может использоваться для выпрямления переменных токов.

1.2.2 Гетеропереход

Гетеропереходом называют контакт двух полупроводников различного вида и разного типа проводимости, например, pGe - nGaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p-n перехода заключается в том, что в обычных p-n переходах используется один и тот же вид полупроводника, например, pSi - nSi. Поскольку в гетеропереходах используются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокой точностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения и постоянная решетки.

Количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный раствор InGaAsP.

1.3 Преимущества и недостатки солнечных батарей

1.3.1 Преимущества:

1) главное достоинство солнечных батарей -- их предельная конструктивная простота и полное отсутствие подвижных деталей.

2) солнечные батареи не нуждаются в каком-либо топливе и способны работать на внутренних ресурсах. Владельцу не нужно волноваться о сохранности прибора и постоянно поддерживать его сохранность. Солнечные батареи практически не боятся механического износа. Да и обслуживание им никакое не нужно.

3) небольшой удельный вес, неприхотливость, максимально простой монтаж и минимальные требования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишь протирать грязь с рабочей поверхности).

4) данные устройства способны прослужить не менее двадцати пяти лет.

5) не стоит забывать и об экологическом факторе. Применяемые технологии и материалы полностью соответствуют самым высоким экологическим нормам, солнечные батареи не производят выбросов вредных веществ в окружающую среду и абсолютно безопасны.

6) получения энергии с использованием солнечных батарей позволяет сэкономить немалые финансовые средства.

7) в отличие от традиционных источников, этот тип ресурсов практически неиссякаем. Получение традиционных источников энергии сегодня становится всё более дорогим удовольствием и серьёзно бьёт как по карману простых потребителей, так и по бюджетам многих государств.

1.3.2 Недостатки:

1) невысокий КПД. Солнечные батареи преобразуют энергию избирательно -- для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово -- её «излишки», превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД. Кстати, неудачно выбрав материал защитного стекла, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Дело усугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощает высокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типов фотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, -- энергия инфракрасных фотонов для них слишком мала.

2) чувствительность к загрязнениям. Даже довольно тонкий слой пыли на поверхности фотоэлементов или защитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметно снизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очистки поверхности солнечных батарей, установленных горизонтально или наклонно. Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и после пыльной бури.

3) уменьшение эффективности в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которых обычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают свои свойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарей становится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этот процесс. Тем не менее, современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность в течение многих лет. Считается, что в среднем за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается на 10%. Так что обычно гораздо важнее вовремя протирать пыль.

4) Солнечные батареи невозможно использовать в большинстве районов нашей страны из-за погодных условий и недостаточного количества солнечных дней.

5) Чувствительность к высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечных батарей, как и большинства других полупроводниковых приборов, снижается. При температурах выше 100..150°С они могут временно стать неработоспособными, а ещё больший нагрев может привести к их необратимому повреждению. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. В результате образуется своеобразный «парник», усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения. Справедливости ради надо заметить, что подобные системы обычно легко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малую долю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца такого большого нагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная на приводе системы охлаждения, может быть использована для других целей.

Таблица 1.1- Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые
Si (кристаллический)	24,7
Si (поликристаллический)	20,3
Si (тонкопленочная передача)	16,6
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
III-V
GaAs (кристаллический)	25,1
GaAs (тонкопленочный)	24,5
GaAs (поликристаллический)	18,2
InP (кристаллический)	21,9
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3

1.4 Погодные условия и количество солнечного излучения города Владивостока

Солнечные батареи, в том числе аккумуляторы чувствительны к перепадам температуры. Для определения целесообразности использования солнечных батарей в Приморском крае нужно знать:

· Температурный режим, а именно определение средних минимумов и абсолютного минимума.

· Количество солнечного излучения.

1.4.1 Погодные условия

Какой же температурный фон на территории нашего края в ночные часы возможен в середине зимы. Этот фон можно охарактеризовать такими основными параметрами, как средний минимум, абсолютный и средний из абсолютных минимумов температуры воздуха.

Средний минимум температуры воздуха - это величина, полученная путем осреднения ежедневного отсчета по минимальному термометру, установленному в психрометрической будке[3]. Естественно, что такая температура может существенно отличаться от той, которую пытаются измерить за окном на балконе или еще где-то на открытом воздухе и при этом обычным, а не метеорологическим термометром. Средний минимум температуры воздуха дает представление о преобладающей температуре в течение месяца в наиболее холодную часть суток и, как показывает суточный ход, такая температура держится зимой в среднем несколько часов в конце ночи и утром. На эту температуру местные условия влияют в гораздо большей степени, чем на среднесуточную. При одной и той же высоте станции над уровнем моря в низинах, котловинах и узких долинах, куда стекает и где застаивается холодный воздух, минимальная температура может быть ниже, чем на склонах или вершинах сопок.

В январе средние минимальные температуры воздуха в большинстве районов края составляют 22-27°C, в горах до 30°C, в южных районах и на побережье, в основном, 14-18°C мороза.

В континентальной части Приморья абсолютный минимум регистрируется обычно в тихие ясные морозные ночи при ослабленном турбулентном обмене, поэтому он еще более зависим от местных условий. А вот на побережье такая закономерность не наблюдается, здесь чаще всего самые сильные морозы регистрируются при резком похолодании с усилением ветра до штормового, то есть понижение температуры осуществляется не за счет радиационного фактора. Чаще всего абсолютный минимум принадлежит январю, но в отдельные годы может отмечаться в феврале и еще реже в декабре.

Первое место по числу наблюденных абсолютных (исторических) минимумов занимает январь 1915 года, для станций, открытых в более поздние сроки таковым является январь 1951 года, а для южной части края январь 1931 года. В холодный январь 2000г. был перекрыт абсолютный минимум в п. Барабаш (Хасанский район) и п. Кавалерово.

Для большинства континентальных районов края абсолютный минимум достигал 40-44°C мороза, в Красноармейском, Чугуевском и Пожарском районах еще ниже 47-49°C; в западных и местами в южных районах 36-39°C, а на побережье 26-30°C мороза. Во Владивостоке абсолютный минимум (-31.4°C) был зарегистрирован в далеком 1931 году.

Конечно, такие экстремумы явление редкое и регистрируется 1-2 раза в

50-100 лет, но средние значения из ежегодных абсолютных минимумов представляют собой вполне ожидаемые величины и являются достаточно реальными показателями самой низкой температуры воздуха. На рисунке 4.1 представлены значения среднего абсолютного минимума. Как видим, разброс значений достаточно велик: от -31.8°C в п. Глубинное (Красноармейский район) - до 12.8°C мороза в п. Преображение (Лазовский район). Разница между абсолютным и средним минимумом составляет в большинстве районов края 6-9°C, на побережье местами 3-5°C. Анализ динамики хода средней из минимальных температур воздуха показывает наличие положительного тренда. По сравнению со средними значениями, рассчитанными по 1980г., эти значения за последние 30 лет в большинстве районов края повысились на 0.7-1.2°C, а в отдельных районах на 2.3-2.9°C.



Рисунок 1.2 - Средние температурные режимы Приморского края

1.4.2 Солнечное излучение

В ясную погоду на 1мІ земной поверхности в среднем падает 1000 Ватт (Вт) световой энергии солнца[4]. В зависимости от местности участка земли солнечная энергия поступает неравномерно из-за облачности в пасмурную погоду, есть места, где солнце светит 320-350 дней в году, а есть такие места, где солнца не бывает вообще. Исходя из этого, прежде чем ставить солнечные батареи с целью выработки электричества, необходимо определить эффективность применения данного метода.

Как только Солнце начинает склоняться к горизонту, путь его лучей сквозь атмосферу начинает увеличиваться, соответственно, возрастают и потери на этом пути. Однако и в средней полосе в летний полдень на каждый квадратный метр, ориентированный перпендикулярно солнечным лучам, приходится более 1 кВт солнечной энергии.

Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз больше мирового потенциала ресурсов органического топлива. Приморский край относится к регионам России, где целесообразно использовать солнечную энергию для целей энергообеспечения. Число солнечных дней в году в среднем по Приморскому краю составляет 310, при общей продолжительности солнечного сияния более 2000 часов. По продолжительности поступления солнечной энергии, есть районы, где число дней без солнца всего 26 в году, а продолжительность солнечного сияния 2494 часа (п. Пограничный). На северном побережье Приморского края продолжительность солнечного сияния от 1900 до 2100 часов, на южном - от 2000 до 2200 часов.

В целом, мощность поступления солнечной энергии на территорию Приморского края составляет около 30 миллиарда киловатт (кВт).



Рисунок 1.3 - Карта солнечного излучения России

1.5 Традиционные системы управления уличным освещением

Сегодня наиболее распространенны газоразрядные лампы уличного освещения, заполненные парами ртути или натрия. В последнее время наблюдается тенденция перехода на светодиодные излучатели, но в массовом порядке эта технология пока не применяется. В традиционных системах управления газоразрядными лампами важнейшую роль играют балластные сопротивления или балласты. Балласты ограничивают мощность до номинального уровня и широко используются для реализации простейших функций управления.

Индукционные балласты (ИБ) формируют бросок тока при подаче питания, необходимый для поджига газоразрядной лампы. На этапе устойчивого свечения индукционный балласт (его еще называют магнитным балластом) ограничивает мощность на лампе за счет реактивного сопротивления индуктивности (сам балласт не нагревается). Недостаток магнитных балластов - сдвиг фаз между током и напряжением исправляют за счет применения конденсаторов и разнообразных схем противофазного включения нескольких ламп, что также снижает стробоскопический эффект[5] от мерцания ламп на промышленной частоте. Стробоскопический эффект показывает, как быстро меняется скорость тела при его неравномерном движении. Различают два типа стробоскопических эффектов. Первый состоит в том, что при наблюдении быстро сменяющих друг друга отдельных фаз движения (каждая из которых фиксируется в состоянии покоя) возникает иллюзия непрерывного движения. Это связано с инерцией зрения, то есть со способностью клеток сетчатки глаза сохранять зрительный образ объекта в течение некоторого промежутка времени (примерно 0,1 секунды) после исчезновения самого зримого объекта. И если время между появлениями отдельных изображений меньше этого промежутка, образы сливаются и движение воспринимается как непрерывное. На этом, в частности, основано восприятие движения в кинематографе и телевидении.

Стробоскопический эффект второго типа заключается в том, что при определенных условиях возникает, наоборот, иллюзия покоя предмета, который на самом деле движется. Представьте себе, например, какое-то вращающееся тело, скажем колесо со спицами, которое освещается импульсной лампой, дающей короткие, повторяющиеся через равные промежутки времени вспышки. Ясно, что наблюдатель будет видеть колесо только в те моменты, когда оно окажется освещенным. Если частота вращения колеса в точности совпадает с частотой повторения вспышек, колесо будет освещено каждый раз в одном и том же положении. При достаточно большой частоте вращения (и вспышек) глаз будет сохранять это зрительное ощущение в течение промежутков времени между вспышками, и колесо будет казаться неподвижным. Приборы, в которых используется этот эффект, называют стробоскопами[6]. В современных стробоскопах прерывистое освещение осуществляется с помощью импульсных ламп с регулируемой частотой вспышек.

Электронные балласты (ЭБ) - это полупроводниковые устройства, обеспечивающие нужную последовательность подачи токов поджига и поддержания напряжения на лампе. ЭБ обычно состоят из инвертора преобразующего токи промышленной частоты в токи частотой примерно 20 кГц. Это дает ряд преимуществ: устраняется стробоскопический эффект и повышается яркость свечения газа за счет постоянной ионизации на повышенной частоте. Яркость свечения резко возрастает (на 9%) на частоте около 10 килогерц (кГц), и далее плавно возрастает при повышении частоты приблизительно до 20 кГц. Работа на высокой частоте позволяет также резко сократить габариты электронных компонентов, повысить их КПД и использовать для ограничения тока через лампу не индуктивность, а конденсатор, тем самым минимизируя потери электрической мощности. Современные ЭБ позволяют плавно регулировать яркость свечения и реализовать различные режимы поджига газоразрядных ламп:

· Мгновенный старт: поджиг ламп без предварительного разогрева катодов импульсом напряжения около 600 В. С энергетической точки зрения это наиболее эффективный способ, но он приводит к мощной эмиссии ионов с поверхности холодного катода, что укорачивает срок службы ламп при частом включении;

· Быстрый старт: одновременная подача энергии поджига и прогрев катодов. При работе в таком режиме тратится некоторое количество энергии на постоянный подогрев катодов;

· Программируемый старт: последовательная подача энергии сначала на подогрев катодов, а затем на поджиг электронной дуги. Этот способ обеспечивает наиболее длительный срок службы газоразрядных ламп, высокую экономичность и максимальное количество циклов включения - выключения.

ЭБ часто оснащают средствами дистанционного управления контроля. В качестве сетевых протоколов обычно используются LonWorks, DMX-512, DALI, DCI. Например, широко распространенный протокол LonWorks, разработанный Echelon Corporation, может использовать в качестве транспортной среды силовой кабель, по которому подается питание на лампу. В этом протоколе определены методы адресации, маршрутизации и управления. Таким образом, ЭБ является своеобразным «выключателем» для ламп уличного освещения, обеспечивая энергосбережение, продление ресурса ламп и дистанционное управление. Для автоматизации включения и выключения ламп уличного освещения чаще всего используют датчики уровня освещенности. Алгоритм работы таких систем предельно прост: при снижении уровня яркости ниже заданного порога лампы включаются, и выключаются при превышении порога срабатывания.

К недостаткам таких систем можно отнести трудности калибровки датчиков, чувствительность датчиков к загрязнению, невозможность реализации энергосберегающих алгоритмов работы (например, затемнения или выключения части ламп в глухое ночное время, когда полное освещение не требуется).

Альтернативным методом автоматического управления в системах уличного освещения является использование графика включений и выключений освещения. При таком подходе контроллер на основании даты, дня недели (будни или выходные) и времени суток включает или выключает освещение. Этот метод является простым и эффективным.

1.6 Системы автоматического управления уличным освещением

Системы автоматического управления уличным освещением обычно работают под управлением зонального контроллера или сервера. В зависимости от алгоритма управления, контроллер формирует сигнал, например, включения группы уличных фонарей. Для передачи этого сигнала на исполнительные устройства (обычно электронные балласты ламп уличных фонарей) используются следующие средства:

· слаботочные сигнальные линии (витые пары, RS-485, Ethernet и т.д.);

· радиоканал;

· GSM-канал;

· передача сигнала по силовому кабелю.

Таблица 1.2 - Сравнение способов передачи сигналов управления

	Слаботочное управление	GSMканал	Силовые линии электропередачи	Радиоканал
1	2	3	4	5
Адресация (экономически целесообразно)	Возможно управления отдельными лампами	Только групповое управление	Только групповое управление	Только групповое управление
Способ управления	Цифровой протокол управления например на основе календарного графика	Телефонный звонок или SMS на контроллер в шкафу управления	Управление по силовому кабелю, подключенному к контроллеру в шкафу управления	Передача радиосигнала из диспетчерской на приемник в шкафу управления
Факторы, влияющие на надежность	Накопление ошибки отсчета времени	Зависимость от загруженности публичной сети оператора GSM.	При отказе требуется ручное переключение кабеля.	Радиопомехи могут вызвать невозможность приема сигнала управления
Трудозатраты	Высокие трудозатраты	Низкие трудозатраты за счет использования сети публичного использования	При индивидуальном управлении лампами прокладка кабелей трудозатратна	Высокие трудозатраты при установке приемопередатчиков
Охват территории	Привязка к городу/области	Зона действия сотовой сети	Длина контрольного силового кабеля не может превышать 1 км.	Управление возможно лишь в зоне уверенного приема радиосигнала.
Размер территории	Район города, небольшой населенный пункт	Город и ближайший пригород	Ограниченная территория	Город и пригород, территория вдоль автострад
Стоимостные факторы	Индивидуальный блок управления в каждом фонаре	Абонентская плата и плата за соединение, передачу сообщений	Стоимость прокладки индивидуальных силовых кабелей	Стоимость оборудования диспетчерской, релейных станций и приемников
Факторы, влияющие на стоимость техобслуживания	Постоянно необходима корректировка таймера		Высокие затраты на ремонт электрооборудования	Требуется квалифицированный диспетчер

1.6.1 Использование фотореле

Фотореле предназначено для включения и выключения освещения при изменении интенсивности дневного освещения. Широкий диапазон настройки чувствительности позволяет использовать фотореле для управления уличным освещением. Светочувствительное фотореле используется для экономии электроэнергии. Фотоэлектронный датчик реагирует на освещение окружающей среды с наступлением сумерек. Фотоблок начинает разогрев ламп с наступлением сумеречного времени, и при изменении освещенности напряжение на выходе прибора увеличивается. С наступлением рассвета напряжение на выходе падает, и прибор входит в режим ожидания сумеречного времени. Не требует регулировки освещенности. Микропроцессорное управление позволяет стабилизировать выходное напряжение, предотвращая скачки переменного тока.

Использование фотореле позволяет организовать дешёвую систему управления уличным освещением. Однако датчики, используемые в фотореле, чувствительны к загрязнению. Также они требуют очень точной настройки. Если неправильно расположить датчик, то с заходом солнца его может закрыть тень от стоящих рядом деревьев, домов, рекламных щитов и так далее. В связи с этим освещение включится преждевременно. Важно помнить использовать фотореле, с внешним датчиком, можно на достаточно открытой местности. На рисунке 1.4 показано фотореле отечественного производства.

Достоинства: небольшие размеры и масса прибора, низкая потребляемая от сети мощность, герметичный сенсор с проводом 2 метра.

Недостатки: невысокий уровень защищённости прибора.

Рисунок 1.4 Фотореле ФР-16А

Технические характеристики:

· номинальное напряжение сети - 220 Вольт (В);

· номинальная частота - 50 Герц (Гц);

· коммутируемый ток не более - 15 Ампер (А), на размыкание не более - 5А;

· задержка включения/выключения 5/15 секунд;

· мощность, потребляемая от сети не более - 0,4 Вт;

· габаритные размеры - 18/65/90 миллиметров (мм);

· степень защиты - IP 20;

· масса - 90 грамм (г);

· интервал рабочих температур от -40 0С до +40 0С.

Рисунок 1.5 Схема расположения светильников под управлением фотореле

1.6.2 Использование GSM - модема

Современные системы автоматического управления уличным освещением с использованием GSM - модема строят по трехуровневой архитектуре:

· Блок непосредственного управления лампой или группой ламп в фонаре уличного освещения

· Шкаф зонального уровня управления (улица или квартал)

· Центральный сервер территории

В такой системе любую лампу можно включить или выключить сигналом с центрального сервера. Это достигается применением блоков непосредственного управления лампой. Расплата за подобные удобства - высокая стоимостью аппаратной части.

Система индивидуального управления каждой лампой по GSM-каналу на практике не применяется из-за высокой стоимости GSM-модемов и необходимости установки индивидуальных SIM-карт в каждый блок и последующего учета расходов. Поэтому GSM-канал используют только на уровне зонального шкафа управления.

Трехуровневый принцип построения систем управления освещением распространяется не только на методы дистанционного управления включением или выключением отдельных ламп, но и на функциональные возможности системы.

· Индивидуальное управление с помощью интеллектуальных ЭБ;

· Зональное управление освещением с дистанционным регулированием мощности;

· Зональное управление освещением с телеметрией.



Рисунок 1.6 Схема управления уличным освещением с помощью GSM-канала



1.6.3 Использование GPS приёмников

Интересный метод управления уличным освещением в соответствии с наружным уровнем освещенности предложила корейская фирма Stwol. Вместо фотодатчика применили встроенный GPS-приемник и вычислительное устройство. Зная координаты географического местоположения контроллера уличного освещения и астрономическое время, получаемое со спутников системы глобального позиционирования, вычислитель определяет точное время захода и восхода солнца. Контроллер включает освещение за 15 минут до наступления сумерек (момента, когда центр солнца находится под 6° над горизонтом) и выключает освещение через 10 минут после восхода солнца в данной точке земного шара. Очевидно, что данная система нечувствительна к оптическому загрязнению и неточной калибровке фотодатчиков.

2 ОБОРУДОВАНИЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

2.1 Светодиодные светильники

Разнообразные светодиодные светильники являются радикально новым типом осветительных приборов, представляющих собой фактически переориентацию от лампы как источника света к транзистору. Полупроводниковый светодиод в светодиодных светильниках преобразует энергию электрического тока в световую. Технологией будущего светодиодные светильники называются благодаря экономичному расходу электроэнергии. Один мощный светодиодный светильник потребляет 12-15 Вт.

Благодаря высокому КПД и отсутствию инфракрасного излучения любые светодиодные светильники во время работы практически не нагреваются. Существующие ныне светодиодные светильники состоят из десятков, а иногда из сотен светодиодов. Качество цветного света - пока ещё непревзойденное достижение светодиодных технологий. Принципиальным отличием светодиодных светильников от всех остальных является их беспрецедентно большой срок службы (до 100 000 часов).

2.1.1 Сравнение ламповых и светодиодных светильников

Таблица 2.1 - Сравнение ламповых и светодиодных светильников

Светильник	Стандартный ламповый светильник (типа ЖКУ) с лампой ДРЛ-250	Энергосберегающий светильник типа СД
Потребляемая мощность, не более Вт	350	80
Напряжение питания, B	AC 220/10 %	AC 220В(120-280В)
Ресурс работы в режиме городского освещения	1 год	до 25 лет
КПД	40%	90%
Время выхода на рабочий режим освещения	10-15 минут	1 секунда
Устойчивость к перепадам напряжения	слабая	не чувствителен
Наличие мерцания (стробоскопический эффект)	есть	нет
Стабильность работы при низких температурах	низкая	высокая
Экологическая безопасность	нет	полная
Затраты на обслуживание каждого светильника	ежегодные	нет
Вес, кг	15	9
Освещенность в центральной точке с высоты 10м, лк	23	20
Угол раскрытия луча	75х140 град	120 град
Исполнение	IP23-IP54	IP 66-67
Рабочие температуры	от -40 до +40	от -60 до +50

Вывод: при изначально высокой цене светодиодного светильника, светильники светодиодные (СД) имеют очень короткий срок окупаемости. Это связано, в первую очередь, с низким электропотреблением и долгим сроком службы энергосберегющего светодиодного светильника. Также светильники типа СД имеют ряд других преимуществ, в сравнении с обычными ламповыми светильниками, такие как устойчивость к перепадам напряжения и температуры, хорошая защита от попадания в светильник грязи или воды, небольшой вес, отсутствие затрат на обслуживание в течение всего срока службы и другие.

2.1.2 Светодиодный уличный светильник SVETECO-96/13248/160/Ш

Многофункциональный уличный светодиодный светильник SVETECO-96/13248/160/Ш, СВЕТЕКО-96/13248/160/Ш для освещения автомобильных дорог, городских улиц, парков, а также территории предприятий. Предназначен для замены уличных светильников ЖКУ-400. Модель SVETECO 96/13248/160/Ш является на данный момент самым оптимальным вариантом для освещения автомагистралей, обладая «правильной» широкой уличной диаграммой (с шагом установки опор освещения 40 метров) и равномерно освещая проезжую часть.

Рисунок 2.1 Светодиодный уличный светильник SVETECO-96

Технические характеристики:

- питание от сети переменного тока: напряжением (220 ± 22);

частотой (50 ± 2) Гц;

- защита от перенапряжения: до 1000 Вольт;

- потребляемая мощность: 160 Вт ;

- светоотдача с одного светодиода: 138 Люмен (Лм);

- количество светодиодов: 96 шт;

- световой поток: 13248 Лм;

- температура свечения: 5000-5500 К;

- габаритные размеры ВхДхШ: 120х519х360 мм;

- масса: 12.5 кг;

- степень защиты: IP67;

- рабочая температура: от -63 до +60°С.

Конструкция

Цельнометаллический алюминиевый профиль с защитным штампованным кожухом из листовой стали. Алюминиевый корпус светильника с высокой площадью теплоотвода, позволяет обеспечить комфортный температурный режим работы светодиодов и электронных компонентов, что обеспечивает непревзойденный режим работы в 70 000 часов (20 лет).

Система вторичной оптики S-optics позволяет правильно направить световой поток на освещаемую поверхность. В светильниках Sveteco 96 применяется широкая уличная диаграмма. При этом не тратится лишняя энергия на освещение не нужных зон. На автотрассе применение светильников Sveteco 96 со вторичной оптикой позволяет добиться равномерной засветки дорожного полотна: светло под светильником и темно между опорами.

Источник питания (драйвер)

В драйвере нового поколения применен корректор коэффициента мощности, что позволяет более эффективно использовать энергию сети. В противном случае необходимо закладывать в проекты более мощные трансформаторные подстанции. Светодиодный источник питания - Драйвер имеет четырехступенчатую систему защиты от аномального напряжения сети и позволяет защитить светильник от бросков напряжения до 1000 Вольт (опционально):

1 ступень. Электронный самовосстанавливающийся предохранитель.

2 ступень. TVS диод защищает от перенапряжения сети ограничивая выброс напряжения до безопасного.

3 ступень. Электронный блок высоковольтной защиты. В случае выхода за пределы питающего напряжения, блок отключает драйвер от сети, спасая от выхода из строя светильник и всего элементы. Как только напряжение в сети стабилизируется, электронный блок снова включает светильник.

4 ступень. Система гальванической развязки. Позволяет защитить светодиоды от перегорания в случае выхода из строя источника питания.

2.1.3 Уличный светильник ТЭС 80

Светильник ТЭС 80 предназначен для освещения улиц, дорог, площадей, дворов, складов, производств и территорий. Является заменой традиционных светильников. Потребляемая мощность от сети 220 Вольт 0-50 Гц, не более, 90 Вт. Незаменим в местах, где требуется экономия электроэнергии и высокая надежность.

У светильника отсутствует стробоскопический эффект, сила света не меняется во всем диапазоне питающих напряжений. Время выхода на рабочий режим 1 секунда, что позволяет создавать интеллектуальные системы энергосберегающего освещения с использованием датчиков освещённости и движения. Предусмотрен канал дистанционного управления включением или выключением светильника, а так же управлением мощности в диапазоне 7 - 100%.

Светильник крепится консольно, на стены и столбы, с посадочным диаметром трубы до 55 мм. Для установки светильников вместо традиционных не требуется переоборудования посадочных мест.

Рисунок 2.2 - Светодиодный уличный светильник ТЭС 80

Таблица 2.2 - Технические характеристики

Ресурс светодиодного модуля, более	15 лет
Световой поток, не ниже	6000 Лм
Угол излучения	120°
Напряжение питания	156 - 265 В
Частота тока	0 - 50 Гц
Мощность светодиодного модуля	80 Вт
КПД, источника питания, не ниже	89%
Спектр излучения	белый
Масса, не более	5,5 кг
Влагозащита, IP не ниже	65
Температура окружающей среды	-40°C ... +40°C
Гарантийный срок эксплуатации	до 5 лет

2.1.4 Светодиодный консольный светильник Уфа AD-60-120-SL-II-B

Уличный светодиодный светильник Уфа AD-60 при установке на высоте 8 - 11 метров создает зону уличного освещения длиной 15 метров в правую и левую сторону от светодиодного светильника и длиной в 6 метров вперед и назад. Для равномерного уличного освещения территории рекомендуется устанавливать светодиодные светильники на расстоянии 20 - 25 метров друг от друга.

Светодиодный консольный уличный светильник Уфа монтируется на опоры, кронштейны, мачты или другие металлоконструкции необходимой высоты, применяемые для создания системы уличного освещения. Светодиодные светильники серии Уфа идеальны для уличного освещения пешеходных зон: дворов, тротуаров, аллей, бульваров и парков. Светодиодные светильники создают качественное искусственное уличное освещение территорий для комфортного и безопасного перемещения и ориентирования в темное время суток и сумерки. Энергосбережение, которое обеспечивают светодиодные светильники Уфа AD-60, объясняется значительно меньшей потребляемой мощностью по сравнению с заменяемыми аналогами. Почти двукратное снижение потребления особенно сильно впечатляет в промышленных масштабах, и, с учетом других эксплуатационных достоинств светодиодных светильников, можно говорить об окупаемости замены уличных светильников прошлого поколения на светодиодные уличные светильники в срок до трех лет. Уличные светодиодные консольные светильники Уфа характеризуются стабильной работой в широком диапазоне рабочих температур при любых погодных условиях.

Рисунок 2.3 - Светодиодный уличный светильник Уфа AD-60-120-SL-II-B

Таблица 2.3 - Технические характеристики

Цвет свечения	Белый
Потребляемая мощность	133 Вт
Рабочее напряжение, частота	AC 85-125 В или 180-250 В, 50/60 Гц
Коэффициент мощности	>0.98
Эффективная мощность	90%
КПД светильника	>85%
Степень защиты по ГОСТ 14254-80	IP 65
Эксплуатационный ресурс	50000 часов
Габаритные размеры, вес	773 х 385 х 138 мм, 10 кг
Цвет корпуса	светло-серый
Материал корпуса	литой алюминий с покрытием и 4-х миллиметровое усиленное безопасное стекло
Количество светодиодов	60 шт
Индивидуальная светоотдача светодиодов	65 Лм/Вт
Двойной угол половинной яркости светодиодов	120°
Высота установки	8-11 метров
Частота установки	25-32 метра
Область освещения в стороны	±15 метров

Корпус уличного светодиодного светильника изготовлен из литого алюминия с покрытием светло-серого цвета и усиленного безопасного стекла, что делает его износостойким и антивандальным. На корпусе светодиодного светильника предусмотрен мощный радиатор для отвода тепла. Отвод тепла - одна из ключевых задач для всех светодиодных светильников. Нагрев светодиодов в светодиодном светильнике приводит к их преждевременному старению и сгоранию. Корпус светодиодных светильников Уфа решает эту задачу и позволяет без проблем использовать его для уличного освещения в течение всего срока службы.

2.2 Фотоэлектрический преобразователь

Фотоэлектрический (ФЭ) преобразователь - устройство на основе полупроводниковых фотоэлементов, предназначенное для преобразования световой энергии в электрическую.

2.2.1 ФЭ модуль ТСМ-180

Кремниевый монокристаллический модуль под стеклом в алюминиевой рамке. На обратной стороне находится клеммная коробка. Модуль односторонний.

В этом модуле применено специальное текстурированное стекло, в котором потери световой энергии минимизированы. Это позволило получить примерно на 15% больше мощности с единицы площади модуля.



Рисунок 2.4 - Фотоэлектрический модуль ТСМ-180

Технические характеристики:

- мощность: 180 Вт ±5%;

- напряжение холостого хода: 21±5% В;

- напряжение при работе на нагрузку: 17±5% В;

- ток при работе на нагрузку: 10,4±5% А;

- габариты: 1308 х 908 х 38 мм;

- температура эксплуатации и хранения: -40..+50 °С;

- вес: 18.9 кг.

Параметры измерены при стандартных условиях (освещенности 1000 Вт/м2 и температуре 25 °С).

2.2.2 ФЭ модуль KV-165 W

Рисунок 2.5 - Фотоэлектрический модуль KV-165

Описание:

- материал: монокристаллический кремний.

- рама: анодированный алюминий;

- покрытие: 4мм стекло с антиотражающим покрытием;

- максимальное напряжение в системе: 1000В;

- класс защиты II;

- гарантия: 12лет на обеспечиваемую мощность >= 90%; 25лет на обеспечиваемую мощность >= 80%

Таблица 2.3 Технические характеристики:

Номинальная мощность:	165 Вт
Напряжение при максимальной мощности:	35 В
Ток при максимальной мощности:	4,72 А
Напряжение холостого хода:	44,1 В
Ток короткого замыкания:	5,24 А
Размеры ДхШхВ, мм:	1585х805х35
Вес:	16,2 кг

2.2.3 ФЭ модуль Naps 200 Вт NP200GK

Устройство солнечной батареи и техническое описание модуля:

- мощность 200 Вт/12 В;

- пиковая мощность: 200 Вт (+3%/- 0);

- рабочий ток 7,63 A;

- рабочее напряжение 26,2 В;

- номинальное напряжение 12 В;

- количество поликристаллических кремниевых ячеек 54;

- кремниевый поликристаллический модуль;

- верхнее покрытие модуля - закаленное стекло 4 mm;

- рамка модуля - алюминий;

- максимальная защита от самых жестких условий внешней среды;

- размеры: длина 1475 mm, ширина 986 mm, толщина 35 mm;

- вес 19,5 кг;

- температура эксплуатации и хранения: -40..+50 °С;

- гарантия качества 25 лет.

Рисунок 2.6 - Фотоэлектрический модуль NP200GK

2.3 Аккумуляторы

В системах бесперебойного питания могут использоваться четыре основных разновидности аккумуляторов (АКБ):

1) Стартерные автомобильные малообслуживаемые (проверка уровня электролита раз в год и доливка дистиллированной воды при необходимости). Срок службы, при оптимальных условиях эксплуатации 3 - 5 лет.

2) Стартерные автомобильные необслуживаемые герметичные. Срок службы, при оптимальных условиях эксплуатации 3 - 6 лет

3) Стационарные типа AGM. Cтационарные аккумуляторы (АКБ) типа AGM, почти такие же как стартовые необслуживаемые, но имеют адсорбированный электролит (он как бы не жидкий, т.к. находится в порах стекловолоконных сепараторов) и срок их службы при соблюдении требований (например, не оставлять разряженными более 24 часов или заряжать не на 100 % и т.п.) не 6, а 12 лет. Срок службы, при оптимальных условиях эксплуатации до 12 лет.

4) Стационарные типа GEL (гелиевые). Cтационарные АКБ типа GEL (гелиевые), электролит у них в особых сепараторах, они немного дороже чем AGM, но вот они действительно раза в 1,5 - 2 более устойчивы к глубоким разрядам, недозарядам и т.п. чем AGM. Конструкция гелиевых аккумуляторов обычно представляет собой модификацию обычного свинцово-кислотного автомобильного или корабельного аккумулятора. К электролиту добавляется гелиевый компонент для сокращения движения внутри аккумулятора. Во многих гелиевых аккумуляторах также используются одноходовые клапаны вместо открытых воздушных клапанов, это способствует тому, что выделяющиеся газы снова растворяются в воде внутри аккумулятора, подавляется газообразование. В аккумуляторах на «глеевых элементах» исключено пролитие даже в случае поломки. Гелиевые аккумуляторы глубокого цикла, рекомендуется использовать в солнечных системах электроснабжения. Срок службы этих аккумуляторов рассчитан на эксплуатацию в циклическом режиме.

2.3.1 Аккумулятор RA12-100DG

Аккумуляторы RITAR хорошо известны стабильностью и надежностью своей работы. Они просты в обслуживании, при этом обеспечивают безопасное и правильное функционирование оборудования.

Эти аккумуляторы способны выдерживать перезаряд, глубокий разряд, вибрацию и удары. Они также могут длительное время находиться в режиме ожидания.



Рисунок 2.7 - Аккумулятор RA12-100DG

Основные особенности:

- неизменное качество и высокая надежность;

- герметичность конструкции;

- длительный срок службы в буферном или циклическом режиме;

- функционирование, не требующее обслуживания;

- клапанная система низкого давления;

- решетки усиленного типа;

- низкий саморазряд.

Технические параметры:

- емкость: 100 Ач;

- напряжение: 12 В;

- габариты: 388*172*217 мм;

- вес: 33,5 кг.

2.3.2 Аккумуляторные батареи английской фирмы HAZE

Батареи этого типа не требуют специальной вентиляции или обслуживания. Ввиду того, что электролит в аккумуляторе обездвижен, батареи считаются сухими, и могут обслуживаться и транспортироваться в соответствии с требованиями к этому типу батарей.