Способы и средства повышения энергоэффективности наружного освещения
Д.т.н. А.А. Сапронов, профессор, директор; А.Ю. Никуличев, главный инженер, ООО научное предприятие «Электронные информационные системы», г. Шахты, Ростовская обл.
Сети наружного освещения являются неотъемлемой частью инженерной инфраструктуры любого города или поселка. Затраты на электроэнергию в этих сетях оцениваются в 30% от всех затрат на освещение и с учетом дополнительных затрат на обслуживание сетей освещения составляют весьма значительную долю в структуре затрат муниципальных бюджетов [1].
Анализ функционирования сетей наружного освещения показал, что здесь имеется мощный потенциал для энергосбережения. Также реально достижим показатель снижения затрат на обслуживание в 20-30%. Последнее мероприятие (особенно в сельской местности) может дать экономию, зачастую даже большую, чем эффект от снижения энергопотребления.
Мероприятия по энергосбережению в сетях наружного освещения, как правило, сводятся к замене светильников с ртутными лампами на более экономичные светильники с натриевыми лампами высокого давления. Дополнительную экономию также получают, отключая ночью одну или две фазы линии. При этом светильники работают через один или два. Светодиодные светильники ввиду их высокой стоимости и меньшей, чем у натриевых ламп высокого давления эффективности, пока слабоконкурентны.
Замена ртутных ламп на натриевые с аналогичным световым потоком позволяет снизить энергопотребление до полутора раз. Отключение одной фазы или двух фаз линии освещения делает резко переменной освещенность обслуживаемой территории. Для устранения указанного недостатка в целях экономии электроэнергии наиболее целесообразным решением, не противоречащим нормативным документам, является снижение интенсивности светового потока натриевых светильников в ночное время до 50% от номинального значения. Этот результат получают, используя технологию редукции мощности, основанную на применении одного из нижеследующих способов [1, 2]:
▪ автотрансформатора с большим количеством отводов для регулировки общего уровня напряжения питания в линии с сохранением его формы;
▪ силовых транзисторных преобразователей для вырезания определенной части формы напряжения линии с сохранением его пикового значения;
▪ переключаемых двухуровневых электромагнитных балластов (устанавливаются в каждом светильнике);
▪ управляемых пуско-регулируемых устройств (УПРУ) на основе переключаемых конденсаторов [3] в каждом светильнике;
▪ управляемых электронных пуско-регулирующих аппаратов (ЭПРА), которые устанавливаются в каждом светильнике.
Первые два варианта не позволяют организовать адресное управление светильниками. Кроме того, искусственное снижение напряжения с помощью автотрансформатора может приводить к отключению части ламп, находящихся в конце линии. Использование транзисторных ключей приводит к появлению высших гармонических напряжения и тока в питающей сети.
Для указанных последних трех вариантов реализации технологии редукции мощности возможно применение адресного управления электромагнитными балластами, УПРУ и ЭПРА, как по отдельным проводам управления, так и непосредственно по линии освещения с помощью электросетевых модемов, например по способу [4]. Наиболее перспективным техническим средством для снижения потребления электроэнергии в осветительных установках является ЭПРА с редукцией мощности, что обусловлено следующим [5]:
▪ стоимость ЭПРА не превышает стоимость многоуровневого электромагнитного балласта;
▪ ЭПРА обеспечивает «мягкий» пуск лампы, соответственно увеличивается срок службы лампы;
▪ при использовании ЭПРА отсутствует стробоскопический эффект;
▪ ЭПРА имеет защиту от короткого замыкания на выходе, что существенно снижает размер ущерба при повреждениях в лампе;
▪ коэффициент мощности ЭПРА существенно выше, чем у электромагнитного балласта (0,96-0,98 против 0,85);
▪ ЭПРА обеспечивает устойчивую работу натриевой лампы при пониженном напряжении в линии;
▪ за счет наличия емкостей в блоке питания ЭПРА практически нечувствителен к кратковременным провалам напряжения;
▪ ЭПРА, как правило, имеет встроенный корректор мощности, что обеспечивает стабилизацию мощности потребления лампы.
Автоматизация процессов управления в сетях наружного освещения, в основном, сводится к введению функций автономного управления шкафами управления линией освещения установкой в них астрономических таймеров (программируемых реле времени) или внешнего централизованного компьютерного управления. В последнем случае для передачи команд управления используются проводные каналы связи, прокладываемые от центра управления до каждого шкафа управления линией освещения, выделенные радиоканалы или сети операторов мобильной связи. Включение и отключение сетей наружного освещения происходит централизованно и, как правило, объектом управления является вся линия освещения (фаза линии освещения — при трехфазном исполнении). Соответственно, диагностика ограничена на уровне контроля параметров всей линии или шкафа управления плюс возможность дистанционного съема показаний счетчика потребленной электроэнергии. Это решение не позволяет в полной мере использовать ресурсы энергосбережения (особенно с учетом возможности редукции мощности в ЭПРА). Кроме того, процедура выявления неисправных светильников в сети освещения требует включения линий освещения в дневное время и их визуального осмотра, что связано с появлением дополнительных затрат.
Известны технические решения, основанные на применении способов адресного управления светильниками по электрической сети для переключения режимов мощности ЭПРА, например [6, 7]. В некоторых из них реализовано индивидуальное и групповое управление светильниками по заданному расписанию в зависимости от привязки их к различным объектам инженерной и социальной инфраструктуры населенного пункта, имеется функция диагностики неисправностей оборудования (вплоть до конкретного светильника). Например, можно ярче освещать пешеходные переходы или зоны остановочных павильонов, школьных маршрутов, другие инфраструктурные объекты, чем обычные уличные магистрали в ночное время суток, тем самым одновременно экономя электроэнергию и поддерживая необходимый уровень общественной безопасности и комфорта. Однако, стоимость этих систем (вместе с центром управления) часто оказывается существенно выше сумм, имеющихся в распоряжении муниципальных бюджетов на модернизацию и техническое обслуживание сетей наружного освещения. Поэтому разработка недорогих способов и технических средств, повышающих энергоэффективность функционирования сетей наружного освещения, является актуальной задачей.
Учитывая вышесказанное, авторами были предложены простые и недорогие в реализации способы управления и диагностики [8, 9], направленные на повышение энергоэффективности функционирования сетей наружного освещения. На базе вышеуказанных способов разработана и промышленно выпускается энергоэффективная автоматизированная система управления наружным освещением (АСУНО), структурная схема которой показана на рис. 1. Основные функции, обеспечивающие конкурентные преимущества системы:
- адресное управление режимами работы отдельного светильника или группы светильников с передачей команд по электрической сети (включение, отключение, снижение потребляемой мощности на 50%) в соответствии с заданным расписанием или по команде диспетчера;
- автоматическая диагностика оборудования (выявление неисправных шкафов управления, светильников и мест обрывов линии) с передачей данных в диспетчерскую;
- автоматическое управление (включение/ отключение) праздничными гирляндами;
- выявление несанкционированных подключений к линиям освещения;
- централизованный учет электроэнергии;
- многопользовательский интернет-мониторинг технологических параметров;
- сигнализация аварийных режимов (в том числе открытия дверей шкафов управления).
Основу исполнительных технических средств системы составляют однофазные и трехфазные шкафы управления, которые выполнены на ток 50 А — однофазный и 50/100А — трехфазный, а также светильники с управляемыми ЭПРА на мощность 150, 250 и 400 Вт. Шкафы имеют небольшие массогабариты и исполнение для наружной установки на стену или опору линии освещения. Фотография однофазного шкафа управления приведена на рис. 2, а светильника с ЭПРА и адресным приемником команд управления по электросети — на рис. 3. Адрес приемника задается установкой на нем съемных перемычек (джамперов) или положением рычажков DIP-переключателя (в зависимости от модели ЭПРА). Доступное адресное пространство — 250 индивидуальных адресов светильников на каждую фазу для одного шкафа управления.
В АСУНО имеется возможность текущего мониторинга всех необходимых для эксплуатации сетей освещения параметров (токи, напряжения, показания счетчика электроэнергии, уровень GSM-сигнала и др.) через любое терминальное устройство (персональный компьютер, нетбук, мобильный телефон), имеющее выход в Интернет на сервер службы мониторинга. Это позволяет контролировать работу сети освещения не только диспетчеру обслуживающей организации, но и ответственным должностным лицам муниципальных образований. Для управления всей сетью или ее фрагментом достаточно иметь персональный компьютер, GSM-модем и специальную терминальную программу. Такие решения существенно упрощают и удешевляют систему, делают ее доступной и эффективной для внедрения не только в городах, но и в сельской местности.
Экранные формы отображаемой информации просты и понятны. В базе данных ведется архив параметров режимов. Программное обеспечение позволяет делать необходимые выборки и экспортировать данные для дальнейшей обработки в текстовом формате. В процессе работы сети освещения автоматически выполняется адресная диагностика светильников. Неисправные светильники отражаются на мнемосхеме сети освещения черными кружками, исправные — оранжевыми. Пример экранных форм показан на рис. 4, 5.
Пилотный проект по внедрению АСУНО успешно реализован в Октябрьском районе Ростовской обл. В результате эксплуатации инновационного оборудования на объектах внедрения затраты на электроэнергию сокращены в 2 раза, а затраты на техническое обслуживание сетей освещения снижены почти на 30%.
3. Материалы сайта www.svetlas.ru
4. Способ и устройство передачи и приема информации по линиям распределительных электрических сетей переменного тока / Сапронов А.А. и др. / Пат. 2338317 РФ : МПК 7 Н 04 В 3/00 . — Заявл. 27.03.2006 ; опубл. 10.11.2008, Бюл. № 31
5. Материалы сайта www.epra.ru
8. Способ адресной передачи информации по линиям электроснабжения переменного тока / Сапронов А.А. и др. / Пат. 2390933 РФ: МПК Н04В 3/54; H02J 13/00. — Заявл. 29.09.2008; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15
9. Способ автоматического выявления неисправных нагрузок, распределенных вдоль линии электроснабжения / Сапронов А.А. и др. / Пат. 2390106 РФ: МПК H05B 37/03; G01R 31/08. — Заявл. 02.09.2008; опубл. 20.05.2010, Бюл. № 14
Источник
VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ГОРОДСКОГО УЛИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
освещение улиц города
архитектурное освещение городских объектов
Если затраты помещений и жилых домов можно регулировать и уменьшать путем отключения света в пустых помещениях, то уличное освещение должно работать всегда. Это увеличивает затраты усложняет способы экономии на таком освещении.
Уличные светильники используются для освещения дорог, дворов, тротуаров, общественных мест, автостоянок. Иногда уличные светильники используют для освещения фасадов зданий, для рекламного освещения. Основное назначение уличных светильников – обеспечение безопасности перемещения пешеходов, велосипедистов и транспорта.
В моей работе будет рассматриваться проблема освещения улиц местного назначения и дорог с небольшой интенсивностью движения, так как именно в данных местах крупных городов световой поток не соответствует нормам и наблюдается больше всего темных участков. Возможность повышения эффективности источников света, изучение различных видов уличных ламп и их актуальность на данной территории.
По статистике, 20% общего расхода электроэнергии приходится на освещение. При учете факта непрерывного роста цен на электроэнергию, развитие инновационных технологий для увеличения энергоэффективности уличного освещения становится все более актуальной.
Можно выделить несколько главных проблем в уличном освещении крупных городов:
Малоэффективные источники света
Непродуктивное размещение осветительных приборов
К решению данных проблем необходим системный подход, заключающийся в проработке технических и экономических вопросов внедрения новых высокоэффективных источников света, полного и гибкого управления системами освещения.
Главной проблемой является модернизация систем освещения. Наиболее энергоэффективным решением является внедрение светодиодных источников света. Решение данной проблемы тормозится стоимостью светодиодных источников, автоматизированных систем, отсутствием методологии и технических решений высокой построения гибких адаптивных систем автоматизированного управления сложными гибридными комплексами наружного освещения.
Большая роль в освещении отводится на оптимальное размещение уличных светильников. Поддержка необходимого уровня освещённости всей улицы способствует:
улучшение управления ночным освещением города и ночным движением транспорта
повышение безопасности пешеходов на улицах
снижение преступности и страха преступности в ночное время
повышение привлекательности города
повышение престижа города
К сожалению, уровень освещенности улиц не всегда соответствует оптимальным критериям.
Проблема энергоэффективности не решается только применением энергосберегающих осветительных приборов. Есть другая проблема, связанная со световым загрязнением неба. Это следствие малограмотной установки светотехнических приборов, и обращенные вверх приборы светораспределения, которые должны подсвечивать архитектурный объект, поразительно засвечивают небо.
В части установок наружного уличного архитектурного освещения, световой рекламы значительная часть света уходит в небо бесцельно. Эту проблему не так просто решить. Но если будет поставлена целенаправленная задача, вполне можно принять соответствующие меры.
Цель работы. Повысить качество и эффективность освещения моего района.
Задачи.
Улучшить качество освещения улиц, повысить эффективность осветительных приборов.
Выяснить: кокой вид уличных ламп наиболее качественный и экономичный.
Изучить влияние светового загрязнения на окружающую среду и минимизировать бесполезное распространение света.
Анализ сферы на сегодня.
Проживая в данном районе, я неоднократно убеждался в некачественном освещении дорог, а иногда в его отсутствии.
Свет уличных ламп неравномерно покрывает улицы, а также часть освещения в спальных кварталах захватывает дома. Это не только не эффективно, но и является большой помехой для жителей освещаемых квартир.
Исследовательская часть.
Для более эффективного освещения данного района необходимо провести анализ размещения ламп, уровень освещенности улицы, выделить темные и труднодоступные для света участки.
Провести сравнение ламп уличного освещения и найти самый оптимальный вариант для данного района.
Изучить интенсивность движения на улицах и определить необходимый уровень яркости и освещенности дорог.
По характеру требований к освещению все улицы и площади городов подразделяются на три категории:
А – скоростные дороги, магистрали общегородского значения и т.п.;
Б – магистральные улицы районного значения, дороги грузового движения и т.п.;
В – улицы и дороги местного значения.
Наибольшая интенсивность движения в обоих направлениях, ед./ч
Средняя яркость покрытия*,
Средняя горизонтальная освещенность покрытия, лк
А
Магистральные дороги, магистральные улицы общегородского значения
От 1000 до 3000
Б
Магистральные улицы районного значения
От 1000 до 2000
В
Улицы и дороги местного значения
В данном районе расположены улицы категории Б и В. Чаще всего несоответствие с нормами освещения подвержены улицы и дороги местного назначения.
Эксперимент.
Примерная последовательность действий для исследования дорог и улиц включает в себя этапы:
Изучение дороги (улицы). Необходимо определить тип дорожного покрытия, нанести на план улицы все приборы ночного освещения, пешеходные переходы, пересечения с другими улицами и дорогами. Необходимо определить все места на проезжей части улиц, в которых могут оказаться пешеходы. В этих местах необходимо обеспечить повышенный уровень освещенности относительно остальной части дороги.
определение категории улицы или дороги. Категории дорог и улиц определяют в зависимости от их назначения, транспортных характеристик, примерной скорости движения автотранспорта и количества полос движения.
выбор нормируемой освещенности. Требуемые яркость и освещенность дорожного покрытия в зависимости от категории дороги.
выбор схемы размещения светильников. Размещение светильников наружного освещения вдоль улицы или дороги выполняется одновременно с выполнением расчета освещенности.
расчет освещенности и яркости. Если для установки осветительных приборов используются уже существующие опоры контактной сети городского транспорта или опоры воздушной линии электропередачи, то необходимо выбрать светильники, обеспечивающие требуемую освещенность дорожного покрытия.
Вывод исследовательской работы.
Все это оказывает положительный эффект на обеспечение финансовой устойчивости, энергетической и экологической безопасности экономики. Рост уровня и качества жизни населения за счет реализации потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности на основе модернизации и перехода к рациональному использованию энергетических ресурсов.
Крайне важно иметь хорошо освещенную городскую среду. Уличное освещение должно служить вопросам общественной безопасности. Однако крупномасштабные проекты по внедрению уличного освещения должны выполняться грамотно, потому что важно учитывать вопросы нормирования и энергоэффективности установок уличного освещения.
Выведение уличного освещения в данном районе на новый уровень способствует повешению качества жизни, а так же экономии на уличном освещение. В последствии, с помощью данных исследований, можно улучшить освещение всего города.
Источник
