Світлодіодні системи освітлення фасадів будівель та дачних територій на сонячних батареях

Робота на конкурс «Науково-технічних ідей з напрямку «Енергозбереження»».
Виконала ст.гр.О-08 ІнАЕКСУ, ФФЕЛТ Притуляк Галина

Постановка проблеми. Сьогодні людство все частіше стикається з проблемою виготовлення  енергії та її раціональним використанням. Енергозберігаючі технології перебувають на стадії революційного розвитку. Сучасна наука, зокрема фізика твердого тіла, принципово змінює підходи до цієї проблеми. Революційним проривом є використання для освітлення світлодіодів (light-emitting diodes, LEDs) у поєднанні із живленням від сонячної енергії. До нещодавно світлодіоди використовувалися як індикатори, наприклад червона точка на панелі управління телевізором або там, де не потрібна велика яскравість – для підсвічування дисплея мобільного телефону. Проте успіхи фізики твердого тіла і нової галузі техніки – оптоелектроніки та нанотехнологій зробили можливим використання світлодіодів для освітлення.

Одним із перспективних напрямів відновлювальних  джерел енергії, що в останні роки дуже активно впроваджуються в світову промисловість і побут – є сонячна енергетика. Завдяки «зеленим» технологіям сонячні енергетичні системи і пристрої дозволяють здійснювати ефективний виробіток електричної і теплової енергії, завдяки природнім, практично не вичерпним можливостям світлового випромінювання Сонця із найменшим впливом на екологічний стан довкілля. Розробки і промислова продукція в цій області на сьогодні дуже активно розвиваються в таких країнах як Німеччина, США, Великобританія, Японія, Корея та Китай і становлять вагомий відсоток енергетичного виробітку в світі. Зважаючи на останні події в секторі ядерної енергетики – техногенну катастрофу в Японії на АЕС Фукусіма, майже всі світові країни приймають програми скорочення ядерних потужностей і віддають перевагу альтернативним джерелам. Україна та Росія на цьому фоні також представляються дуже перспективними ринками на найближчі 30-50 років для «зелених» технологій, ключове місце в яких займе сонячна енергетика.

Сонячна електроенергетика – один з найбільш швидкозростаючих секторів альтернативної енергетики, які активно розвиваються у світі. Великий потенціал зростання сонячної енергетики обумовлений необхідністю забезпечення національної та екологічної безпеки та також стійким подорожчанням традиційних джерел енергії.

Практино у повному обсязі проблему енергозбереження можливо вирішити за допомогою саме світлодіодних систем освітлення на сонячних батареях. До їх переваг відноситься можливість значно економити споживання електроенергії у порівняння з джерелами світла інших типів (люмінесцентні та лампи розжарювання), досить високий коефіцієнт корисної дії – близько 90%, світлодіодні лампи не випромінюють ультрафіолету – їх світло практично ідентичне природному, що покращує здоров’я людей і, відповідно, дозволяє економити витрати на охорону здоров’я. Також світловий потік легко регулюється не лише за величиною, але й за напрямком. Але найважливіше: світлодіодні лампи абсолютно безпечні.

Перспективи  практичних розробок

         На сьогоднішній день дослідження багатьох провідних лабораторій світу приводять зразки нових сонячних панелей з коефіцієнтом корисної  дії близько 50%, що є значним досягненням для всіх галузей енергетики та проблеми енергозбереження. Однак масовий продукт помітно поступається експериментальним зразкам: розкид по ККД (він залежить від матеріалу і технології) становить приблизно від 8 до 20%. Слід зазначити, що дана проблема перебуває на стадії вдосконалення і в недалекому майбутньому людина зможе практично повністю використовувати енергію Сонця та тільки її.

 Автономні системи освітлення на сонячних фотоелектричних модулях

Енергоємність валового внутрішнього продукту – основний показник ефективності економіки – в Україні значно вища, ніж у промислово розвинених країнах. Це є наслідком певної технологічної відсталості, недосконалої галузевої структури вітчизняної економіки та впливу її “тіньового” сектору. Така ситуація обмежує конкурентоспроможність національного виробництва і лягає важким тягарем на економіку – тим паче, за умов її зовнішньої енергетичної залежності. На відміну від країн Заходу, де енергозбереження є елементом економічної та екологічної доцільності, для України це – питання виживання, оскільки досі не вирішено проблему збалансованого платоспроможного споживання як внутрішнього, так і щодо імпорту паливно-енергетичних ресурсів.

Енергозбереження має суттєвий вплив на енергетичну безпеку держави, оскільки неефективне внутрішнє споживання паливно-енергетичних ресурсів вимагає великих обсягів (майже 50%) їх імпорту, що призводить до значної залежності від країн-експортерів. Разом із тим потенціал енергозбереження в Україні становить понад 45% обсягу споживання паливно-енергетичних ресурсів. Його реалізація дозволить здебільшого зняти гостроту проблеми зовнішньої енергетичної залежності.

Низька енергоефективність стала одним з основних чинників кризових явищ в українській економіці. У структурі витрат на виробництво промислової продукції в першій половині 90-х рр. майже втричі зросла вартісна складова енергоресурсів у матеріальних витратах на цю продукцію, сягнувши 42% їх загального обсягу. Зростання питомої ваги витрат на паливо та енергію зумовлено істотним зростанням вартості імпортних енергоресурсів упродовж означеного періоду, що стало причиною низької рентабельності виробництва. Низька рентабельність стала, в свою чергу, однією з причин вимивання обігових коштів з економіки, сприяючи таким чином її бартеризації та іншим негативним наслідкам в умовах переходу до ринкових відносин і однією з основних причин кризових явищ у національній економіці, і їх наслідком.

Це свідчить про гостру необхідність заміни джерел енергії, що застосовуються зараз у країні на більш економні, якісні та цілком не шкідливі для здоров’я людей. Сучасний політико-економічний фон диктує необхідність використання енергозберігаючих технологій, про що свідчать численні урядові та регіональні програми. Не випадково у вересні 2002 р. в м. Ханти-Мансійську проходила всеукраїнська виставка з енергозбереження під патронажем Міністерства енергетики РФ. Далеко не рідкісними в даний час стали так звані віялові відключення електроенергії. Прогноз на майбутнє, на жаль, невтішний. Тому фахівці вважають, що використання енергозберігаючих технологій надасть неоціненну послугу організаціям, які займаються висвітленням, і приверне увагу громадян, що ведуть приватне будівництво. Слід зробити особливий акцент на те, що світильник на сонячній батареї взагалі не вимагає витрачання електричної енергії від централізованих джерел, а тому є автономним і безкоштовним засобом освітлення.

  Особливості структури локальних освітлювачів на сонячній батареї
Переваги:

  • повне енергозбереження;
  • екологічна чистота;
  • простота установки (не потрібно електропроводка для підключення);
  • автоматизація використання (включення/вимикання ліхтаря відбувається автоматично з настанням темного/світлого часу доби);
  • електробезпека;
  • вологозахищенність;
  • незалежність від температурних коливань;
  • надійність роботи;
  • тривалість експлуатації;
  • відносна дешевизна.

  Розглянемо детальніше використання сонячних батарей в освітленні фасадів будівель та дачних територій. З технічної точки зору такий тип освітлення особливо не відрізняється від традиційних систем світлодіодного освітлення на сонячній енергії. Структура і компоненти системи залишаються тими ж. Різниця полягає тільки в об‘єкті освітлення і типу світлодіодного джерела світла, тобто типу LED-прожектора). Так, в якості об‘єкта освітлення можуть бути як фасади будівель, входи у холи домів, так і дачні ділянки при території будинку. Також, в якості об‘єкта освітлення можуть бути території біл-бордів і їх рекламні площі.

В якості світлодіодних джерел світла повинні використовуватись портативні LED-прожектори фронтального підсвічення.

Основний склад компонентів системи аналогічний до систем вуличного освітлення:

  • сонячна панель потужністю 50-225Вт;
  • акумуляторна батарея (багатоциклові АКБ 60-120А*год) ;
  • світлодіодний LED-прожектор фронтального підсвічення потужністю 25-70Вт (еквівалент аналогічному прожектору на базі лампи розжарювання або галогенної потужністю до 1000Вт);
  • контролер заряду АКБ з робочим і струмом заряду 10-12А;
  • схема комутації та фотореле 10-12А;
  • корпус для АКБ та контролера з фотореле;
  • силові комунікацій та інші монтажні матеріали.

Структура автономної системи освітлення фасадів будівель наведена на рис.1.Відмінність полягає у специфіці кола споживача і його типу. В якості останнього виступають 2 світлодіодні LED-прожектори з фоторелейною комутацією.


Рисунок 1 – Структурна схема системи освітлення

На відміну від класичних схем автономних енергосистем на сонячних батареях (off-grid системи), в даній структурі відсутнє HV-перетворення (перетворення у високовольтну складову з 12 у 220В), що реалізується інвертором у традиційних схемах. Це дає змогу зекономити до 10% енергії у низьковольтних колах. А також відмовитись від додаткових затрат на інвертор. Єдиним питанням залишається точний вибір і узгодження по характеристикам робочих струму і напруги  світлодіодного прожектора.

Принцип роботи схеми не складний і описаний в багатьох джерелах. Енергія сонця перетворюється масивом сонячних фотоелементів в електричну і накопичується через контролер заряду, що регулює струм в акумуляторних батареях у денну пору доби. При цьому контролер заряду контролює струм заряду визначає оптимальну робочу точку сонячних батарей і виконує також функції захисту і моніторингу електричних параметрів струму і напруги в колах споживача і генератора. Фотореле і схема комутації виконують постійний моніторинг рівня освітленості і утримують кола споживача в розімкненому стані. Рівень освітленості і визначається зовнішнім датчиком,  і може бути скоректованим при налаштовуванні системи. При настанні сутінок і відповідно падінні рівня освітленості, фотореле комутує кола АКБ і контролеру безпосередньо до споживача – LED-прожектора, тим самим вмикаючи його. Таким чином забезпечується режим роботи від батарей протягом нічного часу і відповідно освітлення необхідної ділянки масивом над‘яскравих світлодіодів у складі LED-прожектора. При цьому схема комутації передбачає примусове (по бажанню користувача або сервісного спеціаліста) вмикання роботи LED-прожектора у будь-який момент часу, або ж його вимикання за допомогою зовнішнього перемикача, який розташований у доступній для роботи зоні (наприклад на стовпі з встановленою системою). Система також може передбачати живлення LED-прожектора безпосередньо від промислової електромережі, шляхом встановлення зовнішнього блоку живлення 220В 50Гц / 12-24В, 10А. При цьому користувачем також за допомогою зовнішнього перемикача, що містить декілька кнопок для різних режимів, може бути включений такий режим роботи. Таким чином система забезпечує багатофункціональність роботи і може бути використана як повністю автономна система освітлення, так і в якості світлодіодної системи освітлення від промислової електромережі.

Висновки

Отже, слід підкреслити, що використання сонячних батарей в освітленні фасадів будівель та дачних територій у поєднанні з світлодіодними системами є високим досягненням сучасної науки і техніки. Саме такі системи здатні при споживанні набагато меншу кількість енергії, ніж інші джерела світла, використовувати енергію сонячного випромінювання, яка достається людству задарма. Крім того, подібні установки є абсолютно безпечними для природи та життя людей, адже, світлодіодні лампи не випромінюють ультрафіолету, а їх світло практично ідентичне природному. Такі системи є кроком до вирішення питання енергозбереження.

В роботі пропонується розробка світлодіодних систем на сонячних фотоелектричних модулях, яка дозволить забезпечити локальне автономне в енергетичному плані освітлення промислових, побутових та декоративно-прикрашених місць. 

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  • Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей  (рус.). Membrana. Membrana (28 августа 2009).  (подивись як оформлюютьтся силки)
  • Compiled by Earth Policy Institute from European Photovoltaic Industry Association (EPIA), Global Market Outlook for Photovoltaics Until 2013 (Brussels: April 2009), p. 13; EPIA, Global Market Outlook for Photovoltaics Until 2014 (Brussels: May 2010), pp. 5, 10-21.
  • Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010                28 Январь 2011 г
  • Алфёров Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, 2004, Т.38, вып.8, с.937-948.
  • Електронний ресурс: http://www.leds.ru.
  • Електронний ресурс:  http://lumenled.ru; Раздел «Светодиодные прожекторы для архитектурной подсветки».
Оцінка: 
0
No votes yet