Уличное освещение на солнечных батареях

ВВЕДЕНИЕ
В наше время темаразвития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна.Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесятлет могут быть исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги ив значительной мере влияют на экономику многих государств.
Всё это заставляетжителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним изнаиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. И этовполне естественно. Ведь именно Солнце даёт жизнь нашей планете и обеспечиваетнас теплом и светом. Солнце обогревает все уголки Земли, управляет реками иветром. Его лучи выращивают не менее одного квадриллиона тонн всевозможныхрастений, которые, в свою очередь, являются пищей для животных.
Таким образом, мы ужеиспользуем солнечную энергию в своих нуждах и все традиционные источникиэнергии (нефть, уголь, торф) появились на земном шаре благодаря Солнцу.
Человек с самых древнихвремён учился пользоваться дарами Солнца. Даже простой костёр, который согревалнаших предков тысячи лет назад и продолжает это делать теперь, является по сутидела использованием солнечной энергии, которую накопила древесина. Но Солнцеспособно удовлетворять и более масштабные потребности человека. По подсчётамучёных, человечество нуждается в десяти миллиардах тонн топлива. Если высчитатьколичество 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 являетсякрайне актуальным для науки.
Возобновляемыеисточники энергии важны не только с точки зрения диверсификации технологическойбазы электрогенерации. Сегодня мировое сообщество испытывает серьезнуюозабоченность по поводу глобального изменения климата.
Как показалоисследование, проведенное компанией Exxon Mobile, мировые энергетическиепотребности ежегодно возрастают на 1.3% и к 2030 г. увеличатся на 40% по сравнениюс 2005 г. 40% этого роста придется на энергогенерируюший сектор.Соответственно, выбросы углекислого газа (CO2), связанные с секторомэнергетики, тоже возрастут.
Важным преимуществомсистем солнечной фотоэнергетики является отсутствие выбросов углекислого газа впроцессе работы систем. Хотя непрямые выбросы присутствуют на других стадияхжизненного цикла системы, фотоэлектрические технологии генерируют гораздоменьше выбросов на ГВт вырабатываемой энергии на протяжении всего жизненногоцикла, чем технологии, использующие традиционные виды топлива. Как минимум 89%выбросов, связанных с производством энергии, можно было бы предотвратить,заменив традиционные источники энергии фотоэлектрическими.
Результатом многолетнейработы стало такое устройство как солнечная батарея.
В 2012 году, в Приморьебудет проходить саммит АТЭС, подготовка к которому активно ведётся уже сейчас.Один из проектов АТЭС во Владивостоке — строительство и реконструкция автодорогтерритории объектов саммита. Одной из главных задач данного проекта – являетсяорганизация освещения автодорог. Темой данного диплома является: «Автоматизированноеуправление уличным освещением». Тема предполагает рассмотрение возможностиприменения данного метода для нашего региона.

1 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ УЛИЧНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ НА СОЛНЕЧНЫХБАТАРЕЯХ
 
1.1 История создания солнечной батареи
Начальнойточкой развития солнечных батарей является 1839 год, когда был открытфотогальванический эффект. Это открытие было сделано Александром ЭдмономБеккерелем.
Следующимэтапом в истории солнечных батарей стала деятельность Чарльза Фриттса. Черезсорок четыре года после открытия Беккереля, в 1883 году, Фриттс сконструировалпервый модуль с использованием солнечной энергии. Основой изобретения послужилселен, покрытый тонким слоем золота. Исследователь пришёл к выводу, что данноесочетание элементов позволяет, пусть в минимальной степени (не более одногопроцента), преобразовывать солнечную энергию в электричество.
Разумеется,до создания современных солнечных батарей было ещё далеко. В течениепоследующих десятилетий это направление научных исследований развивалосьнестабильно. Периоды интенсивной деятельности сменялись резкими спадами. Многиесклонны считать, что история солнечных батарей ведёт своё начало с деятельностиАльберта Эйнштейна. В частности, великий учёный получил в 1921 году Нобелевскуюпремию именно за изучение особенностей внешнего фотоэффекта, а не заобоснование знаменитой теории относительности.
В30-ых годах советские физики получили электрический ток, используя фотоэффект.Разумеется, коэффициент полезного действия (КПД) тогда не впечатлял. Он непревышал один процент, но и это являлось серьёзным научным шагом.
Ужев 1954 году группа американских учёных добилась КПД, достигающего шестипроцентов. В этом году свет увидела первая кремниевая солнечная батарея.
В1958 году солнечная батарея стала основным источником получения электроэнергиина космических аппаратах, как на советских, так и на американских. Но приборыпродолжали совершенствовать.
Всемидесятых годах КПД составлял десять процентов. Такие показатели были вполнеприемлемыми для использования альтернативных устройств получения энергии накосмических аппаратах, но использовать солнечные батареи на Земле пока не имелосмысла. Да и стоили солнечные батареи весьма дорого. Это объяснялосьдороговизной материала. Например, цена одного килограмма кремния составлялаоколо ста долларов. Только в девяностых годах наметились определённыепозитивные сдвиги в развитии альтернативных источников энергии и солнечных батарейв частности.
Успешноеи стабильное производство было налажено только в конце восьмидесятых. Сегоднявыпускаемые солнечные батареи имеют КПД, немногим превышающий двадцатьпроцентов.
1.2 Принцип действия солнечной батареи
Преобразование энергиив фотоэлектрическом преобразователь основано на фотовольтаическом эффекте(фотоэффекте), который возникает в неоднородных полупроводниковых структурахпри воздействии на них солнечного излучения.
Фотоэффект — этоиспускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любогоэлектромагнитного излучения)[1]. В конденсированных веществах (твёрдых ижидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект. Внешним фотоэффектом(фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом поддействием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества привнешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток,образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле,называется фототоком. Внутренним фотоэффектом называется перераспределениеэлектронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках идиэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в измененииконцентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимостиили вентильного фотоэффекта.
Неоднородностьструктуры может быть получена легированием (добавление небольших количествпримесей с целью контролируемого изменения электрических свойствполупроводника, в частности, его типа проводимости) одного и того жеполупроводника различными примесями (создание p — n-переходов) или путёмсоединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённойзоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же засчёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиенташирины запрещённой зоны. Возможны также различные комбинации перечисленныхспособов.
 
1.2.1  P-nпереход или электронно-дырочный переход
P-nпереход (n-negative — отрицательный, электронный, p-positive — положительный,дырочный), или электронно-дырочный переход — разновидность гомопереходов. Зонойp-n перехода называется область полупроводника, в которой имеет местопространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.
/>
Рисунок 1.1 — Электронно-дырочный переход
При контакте двухобластей n- и p- типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникаетдиффузия в области с противоположным типом электропроводности. Диффузия (лат.diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материиили энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией[2].В p-области вблизи контакта после диффузии остаются нескомпенсированныеионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области —нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды).Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноимённозаряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядамиионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-областик p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное полепрепятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт —устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основныхносителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактногополя, эти токи компенсируют друг друга). Между n- и p-областями при этомсуществует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов.Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области. Обычноконтактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесиепотоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен кp-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение), а область пространственногозаряда сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциальновозрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как толькоэти носители миновали p — n-переход, они становятся неосновными. Поэтомуконцентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается(инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контактывходят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядовинжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации ипоявляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряженияэкспоненциально возрастает. Приложение отрицательного потенциала к p-области(обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузияосновных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же времяпотоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует).Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p — n-переход ипроходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей).Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерацииэлектронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются егополем, 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 выраженнойнелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход можетизменяться в 105 — 106 раз. Благодаря этому p — n-переход может использоватьсядля выпрямления переменных токов.
 
1.2.2  Гетеропереход
Гетеропереходомназывают контакт двух полупроводников различного вида и разного типапроводимости, например, pGe — nGaAs. Отличие гетеропереходов от обычного p-nперехода заключается в том, что в обычных p-n переходах используется один и тотже вид полупроводника, например, pSi — nSi. Поскольку в гетеропереходахиспользуются разные материалы, необходимо, чтобы у этих материалов с высокойточностью совпадали два параметра: температурный коэффициент расширения ипостоянная решетки.
Количество материаловдля гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являютсягерманий Ge, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP, четырехкомпонентный растворInGaAsP.
1.3 Преимущества и недостатки солнечных батарей
 
1.3.1  Преимущества
1) главноедостоинство солнечных батарей — их предельная конструктивная простота и полноеотсутствие подвижных деталей.
2) солнечныебатареи не нуждаются в каком-либо топливе и способны работать на внутреннихресурсах. Владельцу не нужно волноваться о сохранности прибора и постоянноподдерживать его сохранность. Солнечные батареи практически не боятсямеханического износа. Да и обслуживание им никакое не нужно.
3) небольшойудельный вес, неприхотливость, максимально простой монтаж и минимальныетребования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишьпротирать грязь с рабочей поверхности).
4) данныеустройства способны прослужить не менее двадцати пяти лет.
5) нестоит забывать и об экологическом факторе. Применяемые технологии и материалыполностью соответствуют самым высоким экологическим нормам, солнечные батареине производят выбросов вредных веществ в окружающую среду и абсолютнобезопасны.
6) полученияэнергии с использованием солнечных батарей позволяет сэкономить немалыефинансовые средства.
7) вотличие от традиционных источников, этот тип ресурсов практически неиссякаем. Получениетрадиционных источников энергии сегодня становится всё более дорогимудовольствием и серьёзно бьёт как по карману простых потребителей, так и побюджетам многих государств.
1.3.2  Недостатки
1) невысокийКПД. Солнечные батареи преобразуют энергию избирательно — для рабочеговозбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения),поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другиечастотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных имифотонов используется квантово — её «излишки», превышающие нужный уровень, идутна вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многомименно этим и объясняется их невысокий КПД. Кстати, неудачно выбрав материалзащитного стекла, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Делоусугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощаетвысокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типовфотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, — энергия инфракрасныхфотонов для них слишком мала.
2) чувствительностьк загрязнениям. Даже довольно тонкий слой пыли на поверхности фотоэлементов илизащитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметноснизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очисткиповерхности солнечных батарей, установленных горизонтально или наклонно.Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и послепыльной бури.
3) уменьшениеэффективности в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которыхобычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают своисвойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарейстановится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этотпроцесс. Тем не менее, современные фотопреобразователи способны сохранять своюэффективность в течение многих лет. Считается, что в среднем за 25 лет КПДсолнечной батареи уменьшается на 10%. Так что обычно гораздо важнее вовремяпротирать пыль.
4) Солнечныебатареи невозможно использовать в большинстве районов нашей страны из-за погодныхусловий и недостаточного количества солнечных дней.
5) Чувствительностьк высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечныхбатарей, как и большинства других полупроводниковых приборов, снижается. Притемпературах выше 100..150°С они могут временно стать неработоспособными, а ещёбольший нагрев может привести к их необратимому повреждению. Поэтому необходимопринимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямымисолнечными лучами. Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительнаяповерхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стекломили прозрачным пластиком. В результате образуется своеобразный «парник»,усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом иповерхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой,можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образомохлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуренаружного воздуха этого может оказаться недостаточно. Поэтому солнечная батареядаже не очень больших размеров может потребовать специальной системыохлаждения. Справедливости ради надо заметить, что подобные системы обычнолегко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малуюдолю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца такого большогонагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная наприводе системы охлаждения, может быть использована для других целей.

Таблица 1.1- Максимальныезначения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условияхТип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % 1 2 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 излучениягорода Владивостока
Солнечныебатареи, в том числе аккумуляторы чувствительны к перепадам температуры. Дляопределения целесообразности использования солнечных батарей в Приморском краенужно знать:
· Температурныйрежим, а именно определение средних минимумов и абсолютного минимума.
· Количествосолнечного излучения.
1.4.1  Погодныеусловия
Какойже температурный фон на территории нашего края в ночные часы возможен всередине зимы. Этот фон можно охарактеризовать такими основными параметрами,как средний минимум, абсолютный и средний из абсолютных минимумов температурывоздуха.
Среднийминимум температуры воздуха – это величина, полученная путем осредненияежедневного отсчета по минимальному термометру, установленному в психрометрическойбудке[3]. Естественно, что такая температура может существенно отличаться оттой, которую пытаются измерить за окном на балконе или еще где-то на открытомвоздухе и при этом обычным, а не метеорологическим термометром. Средний минимумтемпературы воздуха дает представление о преобладающей температуре в течениемесяца в наиболее холодную часть суток и, как показывает суточный ход, такаятемпература держится зимой в среднем несколько часов в конце ночи и утром. Наэту температуру местные условия влияют в гораздо большей степени, чем насреднесуточную. 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.
Вянваре средние минимальные температуры воздуха в большинстве районов краясоставляют 22-27°C, в горах до 30°C, в южных районах и на побережье, восновном, 14-18°C мороза.
Вконтинентальной части Приморья абсолютный минимум регистрируется обычно в тихиеясные морозные ночи при ослабленном турбулентном обмене, поэтому он еще болеезависим от местных условий. А вот на побережье такая закономерность ненаблюдается, здесь чаще всего самые сильные морозы регистрируются при резкомпохолодании с усилением ветра до штормового, то есть понижение температурыосуществляется не за счет радиационного фактора. Чаще всего абсолютный минимумпринадлежит январю, но в отдельные годы может отмечаться в феврале и еще реже вдекабре.
Первоеместо по числу наблюденных абсолютных (исторических) минимумов занимает январь1915 года, для станций, открытых в более поздние сроки таковым является январь1951 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.
Длябольшинства континентальных районов края абсолютный минимум достигал 40-44°Cмороза, в Красноармейском, Чугуевском и Пожарском районах еще ниже 47-49°C; взападных и местами в южных районах 36-39°C, а на побережье 26-30°C мороза. ВоВладивостоке абсолютный минимум (-31.4°C) был зарегистрирован в далеком 1931году.
Конечно,такие экстремумы явление редкое и регистрируется 1-2 раза в
50-100лет, но средние значения из ежегодных абсолютных минимумов представляют собой вполнеожидаемые величины и являются достаточно реальными показателями самой низкойтемпературы воздуха. На рисунке 4.1 представлены значения среднего абсолютногоминимума. 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 вбольшинстве районов края 6-9°C, на побережье местами 3-5°C. Анализ динамикихода средней из минимальных температур воздуха показывает наличиеположительного тренда. По сравнению со средними значениями, рассчитанными по1980г., эти значения за последние 30 лет в большинстве районов края повысилисьна 0.7-1.2°C, а в отдельных районах на 2.3-2.9°C.

/>
Рисунок 1.2 – Средниетемпературные режимы Приморского края
1.4.2  Солнечноеизлучение
Вясную погоду на 1м² земной поверхности в среднем падает 1000 Ватт (Вт) световойэнергии солнца[4]. В зависимости от местности участка земли солнечная энергияпоступает неравномерно из-за облачности в пасмурную погоду, есть места, гдесолнце светит 320-350 дней в году, а есть такие места, где солнца не бываетвообще. Исходя из этого, прежде чем ставить солнечные батареи с целью выработкиэлектричества, необходимо определить эффективность применения данного метода.
Кактолько Солнце начинает склоняться к горизонту, путь его лучей сквозь атмосферуначинает 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 кВтсолнечной энергии.
Общееколичество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в 6,7 раз большемирового потенциала ресурсов органического топлива. Приморский край относится крегионам России, где целесообразно использовать солнечную энергию для целейэнергообеспечения. Число солнечных дней в году в среднем по Приморскому краюсоставляет 310, при общей продолжительности солнечного сияния более 2000 часов.По продолжительности поступления солнечной энергии, есть районы, где число днейбез солнца всего 26 в году, а продолжительность солнечного сияния 2494 часа (п.Пограничный). На северном побережье Приморского края продолжительностьсолнечного сияния от 1900 до 2100 часов, на южном – от 2000 до 2200 часов.
В целом, мощностьпоступления солнечной энергии на территорию Приморского края составляет около30 миллиарда киловатт (кВт).
1.5 Традиционные системы управления уличным освещением
Сегодня наиболеераспространенны газоразрядные лампы уличного освещения, заполненные парамиртути или натрия. В последнее время наблюдается тенденция перехода насветодиодные излучатели, но в массовом порядке эта технология пока неприменяется. В традиционных системах управления газоразрядными лампамиважнейшую роль играют балластные сопротивления или балласты. Балластыограничивают мощность до номинального уровня и широко используются для реализациипростейших функций управления.

/>
Рисунок 1.3 – Картасолнечного излучения России
 
Индукционные балласты(ИБ) формируют бросок тока при подаче питания, необходимый для поджигагазоразрядной лампы. На этапе устойчивого свечения индукционный балласт (егоеще называют магнитным балластом) ограничивает мощность на лампе за счетреактивного сопротивления индуктивности (сам балласт не нагревается).Недостаток магнитных балластов – сдвиг фаз между током и напряжением исправляютза счет применения конденсаторов и разнообразных схем противофазного включениянескольких ламп, что также снижает стробоскопический эффект[5] от мерцания лампна промышленной частоте. Стробоскопический эффект показывает, как быстроменяется скорость тела при его неравномерном движении. Различают два типастробоскопических эффектов. Первый состоит в том, что при наблюдении быстросменяющих друг друга отдельных фаз движения (каждая из которых фиксируется всостоянии покоя) возникает иллюзия непрерывного движения. Это связано синерцией зрения, то есть со способностью клеток сетчатки глаза сохранятьзрительный образ объекта в течение некоторого промежутка времени (примерно 0,1секунды) после исчезновения самого зримого объекта. И если время междупоявлениями отдельных изображений меньше этого промежутка, образы сливаются идвижение воспринимается как непрерывное. На этом, в частности, основановосприятие движения в кинематографе и телевидении.
Стробоскопическийэффект второго типа заключается в том, что при определенных условиях возникает,наоборот, иллюзия покоя предмета, который на самом деле движется. Представьтесебе, например, какое-то вращающееся тело, скажем колесо со спицами, котороеосвещается импульсной лампой, дающей короткие, повторяющиеся через равныепромежутки времени вспышки. Ясно, что наблюдатель будет видеть колесо только вте моменты, когда оно окажется освещенным. Если частота вращения колеса вточности совпадает с частотой повторения вспышек, колесо будет освещено каждыйраз в одном и том же положении. При достаточно большой частоте вращения (ивспышек) глаз будет сохранять это зрительное ощущение в течение промежутковвремени между вспышками, и колесо будет казаться неподвижным. Приборы, вкоторых используется этот эффект, называют стробоскопами[6]. В современныхстробоскопах прерывистое освещение осуществляется с помощью импульсных ламп срегулируемой частотой вспышек.
Электронные балласты(ЭБ) – это полупроводниковые устройства, обеспечивающие нужнуюпоследовательность подачи токов поджига и поддержания напряжения на лампе. ЭБобычно состоят из инвертора преобразующего токи промышленной частоты в токичастотой примерно 20 кГц. Это дает ряд преимуществ: устраняетсястробоскопический эффект и повышается яркость свечения газа за счет постояннойионизации на повышенной частоте. Яркость свечения резко возрастает (на 9%) начастоте около 10 килогерц (кГц), и далее плавно возрастает при повышениичастоты приблизительно до 20 кГц. Работа на высокой частоте позволяет такжерезко сократить габариты электронных компонентов, повысить их КПД ииспользовать для ограничения тока через лампу не индуктивность, а конденсатор,тем самым минимизируя потери электрической мощности. Современные ЭБ позволяютплавно регулировать яркость свечения и реализовать различные режимы поджигагазоразрядных ламп:
· Мгновенныйстарт: поджиг ламп без предварительного разогрева катодов импульсом напряженияоколо 600 В. С энергетической точки зрения это наиболее эффективный способ, ноон приводит к мощной эмиссии ионов с поверхности холодного катода, чтоукорачивает срок службы ламп при частом включении;
· Быстрыйстарт: одновременная подача энергии поджига и прогрев катодов. При работе втаком режиме тратится некоторое количество энергии на постоянный подогревкатодов;
· Программируемыйстарт: последовательная подача энергии сначала на подогрев катодов, а затем наподжиг электронной дуги. Этот способ обеспечивает наиболее длительный срокслужбы газоразрядных ламп, высокую экономичность и максимальное количествоциклов включения – выключения.
ЭБ часто оснащаютсредствами дистанционного управления контроля. В качестве сетевых протоколовобычно используются LonWorks, DMX-512, DALI, DCI. Например, широкораспространенный протокол LonWorks, разработанный Echelon Corporation, можетиспользовать в качестве транспортной среды силовой кабель, по которому подаетсяпитание на лампу. В этом протоколе определены методы адресации, маршрутизации иуправления. Таким образом, ЭБ является своеобразным «выключателем» для лампуличного освещения, обеспечивая энергосбережение, продление ресурса ламп идистанционное управление. Для автоматизации включения и выключения лампуличного освещения чаще всего используют датчики уровня освещенности. Алгоритмработы таких систем предельно прост: при снижении уровня яркости ниже заданногопорога лампы включаются, и выключаются при превышении порога срабатывания.
Кнедостаткам таких систем можно отнести трудности калибровки датчиков,чувствительность датчиков к загрязнению, невозможность реализацииэнергосберегающих алгоритмов работы (например, затемнения или выключения частиламп в глухое ночное время, когда полное освещение не требуется).
Альтернативнымметодом автоматического управления в системах уличного освещения являетсяиспользование графика включений и выключений освещения. При таком подходеконтроллер на основании даты, дня недели (будни или выходные) и времени сутоквключает или выключает освещение. Этот метод является простым и эффективным.
1.6 Системы автоматического управления уличнымосвещением
Системыавтоматического управления уличным освещением обычно работают под управлениемзонального контроллера или сервера. В зависимости от алгоритма управления,контроллер формирует сигнал, например, включения группы уличных фонарей. Дляпередачи этого сигнала на исполнительные устройства (обычно электронныебалласты ламп уличных фонарей) используются следующие средства:
· слаботочныесигнальные линии (витые пары, RS-485, Ethernet и т.д.);
· радиоканал;
· GSM-канал;
· передачасигнала по силовому кабелю.

Таблица 1.2 — Сравнениеспособов 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  Использованиефотореле
Фоторелепредназначено для включения и выключения освещения при изменении интенсивностидневного освещения. Широкий диапазон настройки чувствительности позволяетиспользовать фотореле для управления уличным освещением. Светочувствительноефотореле используется для экономии электроэнергии. Фотоэлектронный датчикреагирует на освещение окружающей среды с наступлением сумерек. Фотоблокначинает разогрев ламп с наступлением сумеречного времени, и при измененииосвещенности напряжение на выходе прибора увеличивается. С наступлениемрассвета напряжение на выходе падает, и прибор входит в режим ожиданиясумеречного времени. Не требует регулировки освещенности. Микропроцессорноеуправление позволяет стабилизировать выходное напряжение, предотвращая скачкипеременного тока.
Использованиефотореле позволяет организовать дешёвую систему управления уличным освещением.Однако датчики, используемые в фотореле, чувствительны к загрязнению. Также онитребуют очень точной настройки. Если неправильно расположить датчик, то сзаходом 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 достаточнооткрытой местности. На рисунке 1.4 показано фотореле отечественногопроизводства.
Достоинства: небольшиеразмеры и масса прибора, низкая потребляемая от сети мощность, герметичныйсенсор с проводом 2 метра.
Недостатки: невысокийуровень защищённости прибора.
/>
Рисунок 1.4 Фотореле ФР-16А
Технические характеристики:
· номинальноенапряжение сети — 220 Вольт (В);
· номинальнаячастота — 50 Герц (Гц);
· коммутируемыйток не более – 15 Ампер (А), на размыкание не более — 5А;
· задержкавключения/выключения 5/15 секунд;
· мощность,потребляемая от сети не более — 0,4 Вт;
· габаритныеразмеры — 18/65/90 миллиметров (мм);
· степеньзащиты — IP 20;
· масса- 90 грамм (г);
· интервалрабочих температур от -40 0С до +40 0С.
1.6.2  ИспользованиеGSM – модема
Современныесистемы автоматического управления уличным освещением с использованием GSM- модема строят по трехуровневой архитектуре:
· Блокнепосредственного управления лампой или группой ламп в фонаре уличного освещения
· Шкафзонального уровня управления (улица или квартал)
· Центральныйсервер территории
Втакой системе любую лампу можно включить или выключить сигналом с центральногосервера. Это достигается применением блоков непосредственного управления лампой.Расплата за подобные удобства – высокая стоимостью аппаратной части.
Системаиндивидуального управления каждой лампой по GSM-каналу на практике неприменяется из-за высокой стоимости GSM-модемов и необходимости установкииндивидуальных SIM-карт в каждый блок и последующего учета расходов. ПоэтомуGSM-канал используют только на уровне зонального шкафа управления.
Трехуровневыйпринцип построения систем управления освещением распространяется не только наметоды дистанционного управления включением или выключением отдельных ламп, нои на функциональные возможности системы.

/>
Рисунок 1.5 Схема расположениясветильников под управлением фотореле
· Индивидуальноеуправление с помощью интеллектуальных ЭБ;
· Зональноеуправление освещением с дистанционным регулированием мощности;
· Зональноеуправление освещением с телеметрией.
1.6.3 Использование GPSприёмников
Интересный методуправления уличным освещением в соответствии с наружным уровнем освещенностипредложила корейская фирма Stwol. Вместо фотодатчика применили встроенныйGPS-приемник и вычислительное устройство. Зная координаты географическогоместоположения контроллера уличного освещения и астрономическое время,получаемое со спутников системы глобального позиционирования, вычислительопределяет точное время захода и восхода солнца. Контроллер включает освещениеза 15 минут до наступления сумерек (момента, когда центр солнца находится под6° над горизонтом) и выключает освещение через 10 минут после восхода солнца вданной точке земного шара. Очевидно, что данная система нечувствительна коптическому загрязнению и неточной калибровке фотодатчиков.

/>
Рисунок 1.6 Схемауправления уличным освещением с помощью GSM-канала

/>
 

2 ОБОРУДОВАНИЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
 
2.1 Светодиодныесветильники
Разнообразныесветодиодные светильники являются радикально новым типом осветительныхприборов, представляющих собой фактически переориентацию от лампы как источникасвета к транзистору. Полупроводниковый светодиод в светодиодных светильникахпреобразует энергию электрического тока в световую. Технологией будущегосветодиодные светильники называются благодаря экономичному расходуэлектроэнергии. Один мощный светодиодный светильник потребляет 12-15 Вт.
Благодарявысокому КПД и отсутствию инфракрасного излучения любые светодиодныесветильники во время работы практически не нагреваются. Существующие нынесветодиодные светильники состоят из десятков, а иногда из сотен светодиодов.Качество цветного света – пока ещё непревзойденное достижение светодиодныхтехнологий. Принципиальным отличием светодиодных светильников от всех остальныхявляется их беспрецедентно большой срок службы (до 100 000 часов).
2.1.1 Сравнениеламповых и светодиодных светильников
 
Таблица 2.1 — Сравнениеламповых и светодиодных светильниковСветильник Стандартный ламповый светильник (типа ЖКУ) с лампой ДРЛ-250 Энергосберегающий светильник типа СД 1 2 3 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: приизначально высокой цене светодиодного светильника, светильники светодиодные(СД) имеют очень короткий срок окупаемости. Это связано, в первую очередь, с низким электропотреблениемидолгим сроком службыэнергосберегющего светодиодного светильника. Также светильники типа СД имеютряд других преимуществ, в сравнении с обычными ламповыми светильниками, такиекак устойчивость к перепадамнапряжения и температуры,хорошая защита отпопадания в светильник грязи или воды, небольшой вес, отсутствие затрат на обслуживание втечение всего срока службы и другие.
2.1.2 Светодиодныйуличный светильник SVETECO-96/13248/160/Ш
Многофункциональныйуличный светодиодный светильникSVETECO-96/13248/160/Ш, СВЕТЕКО-96/13248/160/Ш для освещенияавтомобильных дорог, городских улиц, парков, а также территории предприятий.Предназначен для замены уличных светильников ЖКУ-400. Модель SVETECO 96/13248/160/Ш является наданный момент самым оптимальным вариантом для освещения автомагистралей,обладая «правильной» широкой уличной диаграммой (с шагом установки опоросвещения 40 метров) и равномерно освещая проезжую часть.
/>
Рисунок 2.1Светодиодный уличный светильник SVETECO-96
Технические характеристики:
— питание от сети переменного тока: напряжением(220 ± 22);
частотой (50 ± 2) Гц;
— защита от перенапряжения: до 1000Вольт;
— 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:120х519х360мм;
— масса:12.5 кг;
— степень защиты:IP67;
— рабочая температура: от -63 до +60°С.
Конструкция
Цельнометаллическийалюминиевый профиль с защитным штампованным кожухом из листовой стали.Алюминиевый корпус светильника с высокой площадью теплоотвода, позволяетобеспечить комфортный температурный режим работы светодиодов и электронныхкомпонентов, что обеспечивает непревзойденный режим работы в 70 000 часов (20 лет).
Система вторичнойоптики S-optics позволяет правильно направить световой поток на освещаемуюповерхность. В светильниках Sveteco 96 применяется широкая уличная диаграмма.При этом не тратится лишняя энергия на освещение не нужных зон. На автотрассеприменение светильников Sveteco 96 со вторичной оптикой позволяет добитьсяравномерной засветки дорожного полотна: светло под светильником и темно междуопорами.
Источник питания(драйвер)
В драйвере новогопоколения применен корректор коэффициента мощности, что позволяет болееэффективно использовать энергию сети. В противном случае необходимо закладыватьв проекты более мощные трансформаторные подстанции. Светодиодный источникпитания – Драйвер имеет четырехступенчатую систему защиты от аномальногонапряжения сети и позволяет защитить светильник от бросков напряжения до 1000Вольт (опционально):
1 ступень. Электронныйсамовосстанавливающийся предохранитель.
2 ступень. TVS диодзащищает от перенапряжения сети ограничивая выброс напряжения до безопасного.
3 ступень. Электронныйблок высоковольтной защиты. В случае выхода за пределы питающего напряжения,блок отключает драйвер от сети, спасая от выхода из строя светильник и всегоэлементы. Как только напряжение в сети стабилизируется, электронный блок сновавключает светильник.
4 ступень. Системагальванической развязки. Позволяет защитить светодиоды от перегорания в случаевыхода из строя источника питания.
2.1.3 Уличныйсветильник ТЭС 80
Светильник ТЭС 80предназначен для освещения улиц, дорог, площадей, дворов, складов, производстви территорий. Является заменой традиционных светильников. Потребляемая мощностьот сети 220 Вольт 0-50 Гц, не более, 90 Вт. Незаменим в местах, где требуетсяэкономия электроэнергии и высокая надежность.
У светильникаотсутствует стробоскопический эффект, сила света не меняется во всем диапазонепитающих напряжений. Время выхода на рабочий режим 1 секунда, что позволяетсоздавать интеллектуальные системы энергосберегающего освещения сиспользованием датчиков освещённости и движения. Предусмотрен каналдистанционного управления включением или выключением светильника, а так жеуправлением мощности в диапазоне 7 — 100%.
Светильник крепитсяконсольно, на стены и столбы, с посадочным диаметром трубы до 55 мм. Дляустановки светильников вместо традиционных не требуется переоборудованияпосадочных мест.

/>
Рисунок 2.2 — Светодиодныйуличный светильник ТЭС 80
Таблица 2.2 — Технические характеристикиРесурс 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 Светодиодныйконсольный светильник Уфа AD-60-120-SL-II-B
Уличный светодиодныйсветильник Уфа AD-60 при установке на высоте 8 – 11 метров создает зонууличного освещения длиной 15 метров в правую и левую сторону от светодиодногосветильника и длиной в 6 метров вперед и назад. Для равномерного уличногоосвещения территории рекомендуется устанавливать светодиодные светильники нарасстоянии 20 – 25 метров друг от друга.
Светодиодный консольныйуличный светильник Уфа монтируется на опоры, кронштейны, мачты или другиеметаллоконструкции необходимой высоты, применяемые для создания системыуличного освещения. Светодиодные светильники серии Уфа идеальны для уличногоосвещения пешеходных зон: дворов, тротуаров, аллей, бульваров и парков. Светодиодныесветильники создают качественное искусственное уличное освещение территорий длякомфортного и безопасного перемещения и ориентирования в темное время суток исумерки. Энергосбережение, которое обеспечивают светодиодные светильники УфаAD-60, объясняется значительно меньшей потребляемой мощностью по сравнению сзаменяемыми аналогами. Почти двукратное снижение потребления особенно сильновпечатляет в промышленных масштабах, и, с учетом других эксплуатационныхдостоинств светодиодных светильников, можно говорить об окупаемости заменыуличных светильников прошлого поколения на светодиодные уличные светильники всрок до трех лет. Уличные светодиодные консольные светильники Уфахарактеризуются стабильной работой в широком диапазоне рабочих температур при любыхпогодных условиях.

/>
Рисунок 2.3 — Светодиодный уличный
ветильник УфаAD-60-120-SL-II-B
Таблица 2.3 — Технические характеристикиЦвет 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 уличногосветодиодного светильника изготовлен из литого алюминия с покрытиемсветло-серого цвета и усиленного безопасного стекла, что делает егоизносостойким и антивандальным. На корпусе светодиодного светильникапредусмотрен мощный радиатор для отвода тепла. Отвод тепла – одна из ключевыхзадач для всех светодиодных светильников. Нагрев светодиодов в светодиодномсветильнике приводит к их преждевременному старению и сгоранию. Корпуссветодиодных светильников Уфа решает эту задачу и позволяет без проблемиспользовать его для уличного освещения в течение всего срока службы.
2.2 Фотоэлектрическийпреобразователь
Фотоэлектрический (ФЭ)преобразователь — устройство на основе полупроводниковых фотоэлементов,предназначенное для преобразования световой энергии в электрическую.
2.2.1 ФЭ модуль ТСМ-180
Кремниевыймонокристаллический модуль под стеклом в алюминиевой рамке. На обратной стороненаходится клеммная коробка. Модуль односторонний.
В этом модуле примененоспециальное текстурированное стекло, в котором потери световой энергииминимизированы. Это позволило получить примерно на 15% больше мощности сединицы 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 стандартныхусловиях (освещенности 1000 Вт/м2 и температуре 25 °С).

2.2.2 ФЭ модуль KV-165W
/>
Рисунок 2.5 — Фотоэлектрический модуль KV-165
Описание:
— материал: монокристаллический кремний.
— рама: анодированный алюминий;
— покрытие: 4мм стекло с антиотражающимпокрытием;
— максимальное напряжение в системе:1000В;
— класс защиты II;
— гарантия: 12лет на обеспечиваемуюмощность >= 90%; 25лет на обеспечиваемую мощность >= 80%
Таблица 2.3 ТехническиехарактеристикиНоминальная 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 Naps200 Вт NP200GK
Устройство солнечной батареи итехническое 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 поликристаллическихкремниевых ячеек 54;
— кремниевый поликристаллический модуль;
— верхнее покрытие модуля — закаленноестекло 4 mm;
— рамка модуля – алюминий;
— максимальная защита от самых жесткихусловий 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 системахбесперебойного питания могут использоваться четыре основных разновидностиаккумуляторов (АКБ):
1) Стартерныеавтомобильные малообслуживаемые (проверка уровня электролита раз в год идоливка дистиллированной воды при необходимости). Срок службы, при оптимальныхусловиях эксплуатации 3 – 5 лет.
2) Стартерныеавтомобильные необслуживаемые герметичные. Срок службы, при оптимальныхусловиях эксплуатации 3 – 6 лет
3) Стационарные типа AGM.Cтационарныеаккумуляторы (АКБ) типа AGM, почти такие же как стартовые необслуживаемые, ноимеют адсорбированный электролит (он как бы не жидкий, т.к. находится в порахстекловолоконных сепараторов) и срок их службы при соблюдении требований(например, не оставлять разряженными более 24 часов или заряжать не на 100 % ит.п.) не 6, а 12 лет. Срок службы, при оптимальных условиях эксплуатации до 12лет.
4) Стационарные типа GEL(гелиевые). Cтационарные АКБ типаGEL (гелиевые), электролит у них в особых сепараторах, они немного дороже чемAGM, но вот они действительно раза в 1,5 — 2 более устойчивы к глубокимразрядам, недозарядам и т.п. чем AGM. Конструкция гелиевых аккумуляторов обычнопредставляет собой модификацию обычного свинцово-кислотного автомобильного иликорабельного аккумулятора. К электролиту добавляется гелиевый компонент длясокращения движения внутри аккумулятора. Во многих гелиевых аккумуляторах такжеиспользуются одноходовые клапаны вместо открытых воздушных клапанов, этоспособствует тому, что выделяющиеся газы снова растворяются в воде внутриаккумулятора, подавляется газообразование. В аккумуляторах на «глеевыхэлементах» исключено пролитие даже в случае поломки. Гелиевые аккумуляторыглубокого цикла, рекомендуется использовать в солнечных системахэлектроснабжения. Срок службы этих аккумуляторов рассчитан на эксплуатацию вциклическом режиме.
2.3.1 АккумуляторRA12-100DG
Аккумуляторы RITARхорошо известны стабильностью и надежностью своей работы. Они просты вобслуживании, при этом обеспечивают безопасное и правильное функционированиеоборудования.
Эти аккумуляторыспособны выдерживать перезаряд, глубокий разряд, вибрацию и удары. Они такжемогут длительное время находиться в режиме ожидания.

/>
Рисунок 2.7 — Аккумулятор RA12-100DG
Основные особенности:
— неизменное качество ивысокая надежность;
— герметичность конструкции;
— длительный срокслужбы в буферном или циклическом режиме;
— функционирование, нетребующее обслуживания;
— клапанная системанизкого давления;
— решетки усиленноготипа;
— низкий саморазряд.
Технические параметры:
— емкость: 100 Ач;
— напряжение: 12 В;
— габариты: 388*172*217мм;
— вес: 33,5 кг.
2.3.2 Аккумуляторныебатареи английской фирмы HAZE
Батареи этого типа нетребуют специальной вентиляции или обслуживания. Ввиду того, что электролит ваккумуляторе обездвижен, батареи считаются сухими, и могут обслуживаться итранспортироваться в соответствии с требованиями к этому типу батарей.
Описание:
— полностьюнеобслуживаемая, герметизированная конструкция исключает необходимость доливаводы. Технология AGM;
— увеличеннаядолговечность;
— серная кислотавысокой степени чистоты;
— защищена отпротекания и розлива кислоты;
— с регулирующимклапаном;
— максимальноевнутреннее давление 14 кПа;
— возможностьэксплуатации в различных положениях;
— крышка и корпусизготовлены из пластика ABS;
— низкий саморазряд;
— расчетный срок службы– 6 лет или 12 лет;
— ручки для переносабатареи;
— центральная системагазовыделения;
— свинец и пластикподдаются переработке.
/>
Рисунок 2.8 — Аккумуляторные батареи HAZE

Технические параметры:
— диапазон рабочихтемператур от -20ºC до +50ºC;
— материал решеткиPb/Ca/Sn;
— сепаратор AGM –стекловолокно;
— активный материалсвинец (Pb – 99,9999%);
— зарядное напряжениебуферное 2.27 — 2.30 В/эл. при 25ºC;
— электролит сернаякислота высокой чистоты;
— предохранительныйклапан EPDM резина;
— давление срабатывания10.5 — 14 кПa;
— герметизация при 7кПa;
— клеммы резьбовая 14мм медная втулка под болт M6.
2.4 Программноеобеспечение
Сети уличного освещенияявляются существенной частью структуры коммунального хозяйства городов,поселков и крупных предприятий. Современные сети уличного освещения – этоэнергоемкие объекты, правильное построение которых важно для их эффективнойработы, рационального использования и минимизации потерь энергоресурсов.Внедрение новых технологий автоматизации сетей освещения позволяют не толькорешать эти задачи, но также облегчить их обслуживание и мониторинг. В настоящеевремя значительная часть оборудования районных и городских сетей освещенияморально и физически устаревает и встает вопрос о его обновлении. Кроме того,современные системы автоматизации – это не просто дань моде, они имеют иэкономические преимущества:
— в автоматическомрежиме строго соблюдается расписание, т.к. исключается влияние человеческогофактора;
— нет необходимостивыезжать на проверку включения или отключения освещения;
— в случае неотключения освещения не происходит потерь электроэнергии, т.к диспетчероперативно об этом оповещается и принимает соответствующие меры (ранее о неотключении сообщали через несколько часов граждане – потери могли бытьзначительными);
— для осуществлениятехнического учета энергии нет необходимости выезжать и снимать показания сосчетчиков визуально;
— более надежнаясистема, построенная из современных компонентов, требует меньше затрат на своеобслуживание.
2.4.1Автоматизированная система управления уличным освещением «Гелиос»
Автоматизированнаясистема управления уличным (наружным) освещением «Гелиос» — этоаппаратно-программный комплекс, позволяющий организовать учет электроэнергии,контролировать состояние сетей уличного (наружного) освещения, осуществлятьдиагностику оборудования.
Автоматизированнаясистема управления уличным (наружным) освещением «Гелиос» разработана на базетехнических решений Института высоких технологий Белгородского государственногоуниверситета. При создании «Гелиоса» специалисты института успешно реализовалитехнологии дистанционного управления уличным (наружным) освещением по каналамGSM в режимах SMS/GPRS либо с использованием технологии Ehternet.
Предприятиямкоммунальной сферы, электрических сетей, промышленным предприятиям, городским исельским муниципальным образованиям применение системы «Гелиос» позволяеторганизовать автоматическое централизованное управление уличным (наружным)освещением. Осуществляя учет электроэнергии, контролируя состояние сетейуличного (наружного) освещения, осуществляя диагностику оборудования, «Гелиос»позволяет добиться реального экономического эффекта при эксплуатации уличного(наружного) освещения.
Комплекс «Гелиос»обеспечивает:
1) Организациюуправления объектами уличного освещения:
— обеспечениеавтоматического включения и выключения уличного освещения в соответствии сзаданным годовым сезонным графиком;
— централизованноеоперативное телеуправление включением и выключением освещения;
— ручное управлениережимами освещения обслуживающим персоналом.
2) Постоянный контрольсостояния объектов уличного освещения:
— автоматическийконтроль и диагностику шкафов управления уличным освещением и программногообеспечения;
— хронологиюпоступления команд управления;
— фиксацию состоянияшкафов управления, в том числе активизацию их пожарных и дверных датчиков;
— оповещениедиспетчерского персонала об аварийных и иных важных событиях;
— защиту программныхинтерфейсов для передачи сообщений интегрированным с «Гелиосом» системам.
3) Эффективный учетэнергопотребления:
— прием, обработка ихранение данных информационно-измерительных приборов;
— отслеживаниепараметров ШУ, контроль их соответствия предыдущему периоду.
2.4.2 Автоматизированнаясистема управления уличным освещением “GSM — Контроль”
Система, реализует следующие основныефункции:
— сбор данных судаленных терминальных контроллеров;
— сохранение данных впромышленных СУБД (SQL);
— анализ данных наналичие признаков пороговых значений (по уровню сигнала и по динамическимпараметрам цифровой обработки сигнала);
— формированиеэкстренных сообщений для операторов при возникновении пороговых значений;
— прием экстренныхсообщений от удаленных терминальных контроллеров;
— маршрутизацияэкстренных сообщений в системы управления технической поддержкой, электроннуюпочту и SMS-сообщения;
— отображение данных отудаленных терминальных контроллеров в табличной и графической форме;
— агрегация данных отнескольких удаленных терминальных контроллеров и отображение на экране втабличной и графической форме;
— представление данныхв виде мнемосхем (с использованием эффектов анимации);
— представление данныхна геоинформационных картах;
— представлениеэкстренных сообщений на геоинформационных картах;
— передача команд отоператора на удаленный терминальный контроллер;
— поиск и экспортинформации;
— реализациямногочисленных сервисных функций.
Для хранения данных всистеме может использоваться любая промышленная СУБД из перечисленных: Oracle,MS SQL Server, IBM DB2, SyBase. Кроме того, система может использовать СУБД соткрытым кодом: MySQL, PostgreSQL. Данные от отдельных удаленных терминальныхконтроллеров хранятся в отдельных SQL-таблицах с простой структурой, чтопозволяет интегрировать в одной SCADA-системе данные, полученные от разнородныхсистем первичного сбора информации. В то время, как оперативные данные хранятсяв SQL-таблицах, архивные данные преобразуются в компрессированные текстовыефайлы, доступные для сохранения на долговременных носителях, а также длявосстановления в оперативном доступе. При этом восстановление данных из архивапроисходит прозрачным образом для пользователя, не требуя от него никакихспециальных действий. Само приложение реализовано в виде web-сервера.Приложение разработано в строгом соответствии с объектно-ориентированнымшаблоном проектирования MVC (model-view-controller), что гарантирует его высокуюнадежность и пригодность к длительному сопровождению различными коллективамипрограммистов.
Типовой экранпредставления информации от удаленного терминального контроллера формируетсясистемой автоматически, как только будет настроено описание данных, поступающихот контроллера. В левой части окна находится “дерево контроллеров”, т.е.иерархическое меню выбора объектов управления. Иерархию можно задаватьпроизвольно, например, объединяя контроллеры по территориальному илифункциональному признаку.
Иерархическое менюконтроллеров позволяет быстро получить доступ к необходимым данным. При этомобщее количество контроллеров может измеряться тысячами, но на быстродействиисистемы это не сказывается. Необходимые участки “дерева” динамическизагружаются с сервера по мере необходимости.
В результате получилосьweb-приложение, не требующее установки каких-либо программ на рабочие местапользователей, и обладающее графическими возможностями и пользовательскиминтерфейсом, характерным для настольных графических программ визуализацииданных. Доступ к системе для авторизованного пользователя возможен с любогокомпьютера через web-браузер, включая портативные компьютеры и мобильныетелефоны.

/>
Рисунок 2.9 – Главноеменю программы “GSM — Контроль”

3 РАБОЧИЕ СХЕМЫ ПРОЕКТА С ОПИСАНИЕМ ИСПОЛЬЗУЕМОГООБОРУДОВАНИЯ
3.1Проект №1
 
/>
Рисунок 3.1 – Модельуличного фонаря с использованием солнечной батареи

3.1.1 Описаниеиспользуемого оборудования с дополнительными устройствами
1. Светодиодный светильник: SVETECO.
2.Солнечный элемент: ТСМ-180.
3.Аккумулятор: RA12-100DG.
Дополнительныеустройства:
1.Инвертор
Инвертор — этопреобразователь постоянного тока напряжения 12 вольт (или 24 вольта) впеременный ток напряжения 220 вольт. Источниками постоянного тока 12 вольтявляются аккумуляторные батареи или солнечные батареи.
Прибор имеет следующиеособенности:
— бесшумное ивысокоэффективное функционирование
— индикаторы иселекторные переключатели на передней панели
— возможность выборатипа батарей
— принудительноевнутреннее охлаждение воздушным потоком: вентиляторы с переменной скоростьювращения
— автоматическая защитаот перегрузки и превышения температуры
— защита от полногоразряда и перезаряда батарей
— высокая скоростьпереключения с батарей на сеть и обратно
— крайне малоепотребление тока в режиме ожидания (менее 1 Вт)
— возможна работа сгенератором
2. GSM модем
3. Фотореле или GPS- навигатор.
4. А также: блокуправления светильником, силовое оборудование и, при необходимости, счетчикэлектроэнергии и другие элементы в зависимости от модификации.

3.2.1 Схема освещения
/>
Рисунок3.2 – Схема освещения
Описание:
1. Система сочетает всебе использование светодиодных светильников под управлением модема и фотореле.
Плюсы системы: фоторелеимеет низкую стоимость
Минусы системы:отсутствует возможность полного мониторинга системы, фотореле чувствительны кзагрязнениям и требуют частой настройки, требуется большое количество модемовиз-за отсутствия зональных шкафов управления.
2. Система сочетает всебе использование светодиодных светильников под управлением модема и GPS- навигатора.
Плюсы системы:возможность полного мониторинга и получения отчёта о неисправностях и ошибкахсистемы, нет необходимости частой настройки GPS– навигатора – вычисление координат происходит точно по настроенным параметрамлибо при помощи системы глобального позиционирования.
Минусы: требуетсябольшое количество модемов из-за отсутствия зональных шкафов управления.

4 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
 
4.1 Объект примененияметода
 
/>
Рисунок 4.1 — «Строительство автомобильной дороги посёлок Новый Де-Фриз – Седанка – бухтаПатрокл»

Характеристикаобъекта:
— категория дороги I-б;
— строительная длина 14,330 км;
— ширина земляного полотна 25,5 м;
— число полос движения 4;
— ширина полосы движения 3,75 м;
— ширина проезжей части 2х7,5;
— тип дорожной одежды капитальный;
— расчетная скорость движения (основная) 120 км/ч;
4.2 Существующий проектнаружного освещения
уличный освещениесолнечная батарея
Локальный сметныйрасчет:
1) Сметнаястоимость — 183 884 602 рублей.
А) Строительных работ — 42 949 422 рублей.
— установка стальныхпромежуточных опор;
— установка сборныхфундаментов;
— подвеска проводов;
— устройство заземления;
— засыпка траншей икотлованов;
— планировка откосов иполотна насыпи.
Б) Монтажных работ — 127 744 687рублей.
— кронштейны сварныеметаллические;
— светильник с лампамилюминесцентными;
— затягивание проводовв проложенные трубы;
— присоединение кзажимам жил проводов;
— щитки осветительные;
— защита кабеляметаллическими желобами;
— подстанциякомплексная;
— покрытие кабеляпроложенного в траншее.
В) Оборудования13 190 494 рублей.
— предохранителиплавкие;
— выключателиавтоматические;
— ограничителиперенапряжения;
— трансформаторсиловой;
-коробка клеммнаясоединительная;
— комплекснаятрансформаторная подстанция.
2) Средства на оплатутруда 5 110 110 рублей.
— затраты трударабочих;
— тракторы;
— краны;
— автопогрузчики;
— бульдозеры;
— автогрейдеры.
4.3 Проект наружногоосвещения с применением солнечных батарей
Локальный сметныйрасчет:
1) Сметная стоимость 234 424 610рублей.
А) Строительных работ 45 100 000рублей.
Б) Монтажных работ 130 800 000рублей.
В) Оборудование 52 304 500рублей.
— светодиодный светильник: SVETECO-96- 30000 рублей.
— солнечный элемент: ТСМ-180 — 33000рублей.
— аккумулятор: RA12-100DG — 10000рублей.
2) Средства на оплатутруда 6 220 110 рублей.
Для организацииосвещения на участке дороги протяжённостью 1000 метров потребуется 50светильников с шагом установки опор 40 метров. Стоимость одного светильника,без учёта дополнительного оборудования (модемов, фотореле и дополнительныхустройств) равна 73 000 рублей. Стоимость светильников на один километр дорогиравна 3 650 000 рублей. Стоимость оборудования на всю протяжённость трассысоставляет 52 304 500 рублей.
Вывод: проект с применениемсолнечных батарей дороже существующего на 50 580 008 рублей. Этообусловлено в первую очередь применением передовых технологий и соответственноболее высокой стоимости оборудования.
В предлагаемой системеосвещения экономия происходит за счёт:
— автоматизированнойсистемы управления;
— отсутствия расходовна электроэнергию;
— использованиясветодиодных светильников.
Дополнительные расходы:
— из-зачувствительности солнечных батарей к загрязнению требуются мобильные бригадыдля очистки солнечного элемента от загрязнения;
— установкаспециализированного программного обеспечения;
— центр мониторинга исбора информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование солнечныхбатарей в настоящее время активно применяется во многих странах мира. Темаданного диплома, в первую очередь подразумевает возможности использованиясолнечных батарей и организацию освещения в городе Владивосток.
Был проведён анализпогодных условий города, а также определено количество солнечных дней. Сделанобзор оборудования и выбрано оптимально подходящее для нашего региона.
Расчет затратпроизводился на основе существующих смет по объекту Де-Фриз. В итоге проект сприменением солнечных батарей дороже существующего на 50 580 008рублей. Это обусловлено в первую очередь применением передовых технологий исоответственно более высокой стоимости оборудования. Разница в50 580 008 рублей будет компенсирована за счёт отсутствия затрат наэлектроэнергию и более экономичных светодиодных светильников.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙЛИТЕРАТУРЫ
 
1. Андреев С.В.Солнечные электростанции- М.: Наука 2002.
2. Бурдаков В.П.Электроэнергия из космоса М: Энергоатомиздат 1991.
3. Рубан С.С.Нетрадиционныеисточники энергии-М.: Энергия, 2003.
4.  Харченко Н.В.Индивидуальные солнечные установки М. Энергоатомиздат 1991.
5. Новаяэнергетическая политика России / Под общ. ред. Ю.К. Шафраника M.:Энергоатомиздат, 1995.
6. Ванке В.А.,Лесков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы. М.: Машиностроение, 1997.
7. Базаров Б.А.,Заддэ В.В., Стебков Д.С. и др. Новые способы получения кремния солнечногокачества. Сб. «Солнечная фотоэлектрическая энергетика». Ашхабад, 1983.
8. Грилихес В.А. Солнечныекосмические энергостанции 1986.
9. Стребков Д.С.Сельскохозяйственные энергетические системы и экология. Альтернативныеисточники энергии: эффективность и управление. 1990.
10. Володин В.Е.,Хазановский П.И. «Энергия, век двадцать первый». М.: Знание, 1998.
11.  КлимовВ.В. Фотосинтез и биосфера № 8.
12. БусаровB. Успех поиска путей. Концепцияперехода к устойчивому развитию и особенности региональной энергетическойполитики. — Зеленый мир 1999.
13. ФугенфировМ.И. Использование солнечной энергии в России Теплоэнергетика. 1997.
14. БекманУ., Клейн C., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. M.:Энергоатомиздат, 1982.
15. Солнечнаяэнергия — www.wikipedia.org/Солнечная энергия/
16. Источникиэнергии — www.3dnews.ru/editorial/sun_energy
17. Оборудование-http://www.avante.com.ua/rus/products/_preobrazovateli/_invertora/invxantrex.html
18. Фотоэлектрическиесистемы -http://www.proektstroy.ru/publications/view/15822?bigid=8
19. Системыуправления уличным освещением — www.radioavt.ru/uunos1_su.php
20. Видыуличного освещения — www.o-svet.ru/articles/s10/