Освещение населенных пунктов, автомобильных дорог, железнодорожных платформ и переездов, территорий предприятий, электропитание дорожных, речных, морских и других светосигнальных устройств и широкого спектра других объектов, в том числе на магистральных газо- и нефтепроводах является важной сферой энергетических услуг, требующих значительных капитальных затрат на создание соответствующей инженерной инфраструктуры и существенных текущих затрат, связанных с оплатой стоимости потребляемой электроэнергии и обслуживанием инженерных систем. Поиск новых эффективных технических решений автономного электропитания различных объектов, особенно расположенных вдали от электрических сетей и пунктов возможного электрического подключения, привлекает все большее внимание разработчиков, потребителей и энергосервисных компаний.

В последние годы в связи с бурным развитием технологий энергетического использования возобновляемых источников энергии, прежде всего, повсеместно доступных солнечной и ветровой энергии в разных странах мира находят все более широкое применение автономные системы локального наружного освещения, электропитания светофоров, дорожных знаков, парковочных автоматов и т.п. на базе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), оснащенных электрохимическими аккумуляторами. Такие установки сегодня можно встретить на улицах многих зарубежных городов и на автомобильных магистралях. Растет число фирм, продвигающих на рынок, в том числе в России, различные модификации таких установок, начиная с простейших фотоэлектрических парковых фонарей мощностью в несколько Вт и кончая дорожными осветительными столбами мощностью до несколько сотен Вт.

Решение проблемы создания эффективных источников автономного электропитания маломощных (30-150 Вт) потребителей, в частности, разработка автономных систем общественного освещения, расположенных вдали от источников централизованного электроснабжения или в местах, подвод электроэнергии к которым требует значительных затрат является на сегодняшний день актуальной задачей. Для решения поставленной задачи в качестве первичных источников энергии для таких систем в данной статье рассматривается  использование микро-ветроустановки (микро-ВЭУ), фотоэлектрических преобразователей энергии или их оптимальную комбинацию в сочетании с современными электрохимическими аккумуляторами.

Разработка автономных систем освещения на основе возобновляемых источников энергии стала экономически привлекательной лишь в последние годы в связи с технологическим прогрессом в области преобразования ветровой и солнечной энергии в электроэнергию, освоением массового производства энергоемких с большим сроком службы аккумуляторов энергии и, главное, в связи с быстрым развитием технологий массового производства высокоэффективных и долговечных светодиодных излучателей, обеспечивающих при одинаковой подведенной электрической мощности в несколько раз большую светоотдачу, чем традиционные световые приборы. Так, если традиционная лампа накаливания обеспечивает удельный световой поток на уровне 10…15 лм в расчете на 1 Вт подведенной электрической мощности, а люминесцентная лампа дневного света – 50…60 лм/Вт, то лучшие светодиодные преобразователи сегодня имеют этот показатель на уровне 80…120 лм/Вт. Ясно, что чем выше эффективность преобразования электрической энергии в энергию светового потока, тем меньшую мощность и размеры должен иметь первичный источник энергии и тем меньшие затраты требуются на создание системы электропитания. Данное обстоятельство особенно важно для ВЭУ и ФЭП, преобразующих энергетические потоки малой плотности и соответственно для увеличения мощности требующие увеличение площадей сбора энергии (площади, отметаемой ротором ветроустановки, или площади фотоэлектрической батареи).

Важным фактором при создании автономной системы электропитания является правильный выбор типа и емкости аккумулятора электрической энергии. Проблема состоит в том, что помимо относительно низких плотностей энергетических потоков солнечная и ветровая энергия обладают еще одним существенным недостатком  - нестабильностью (суточной, сезонной и погодной). При этом если ФЭП обеспечивает выработку электрической мощности пропорциональную интенсивности освещения, то мощность ВЭУ пропорциональна кубу скорости ветрового потока. Уменьшение скорости ветра в 2 раза приводит к снижению вырабатываемой ВЭУ мощности в 8 раз. Данные обстоятельства приводят к необходимости использования в системе аккумулятора энергии, обеспечивающего, с одной стороны, «сглаживание» генерируемой ВЭУ и ФЭП сильно меняющейся во времени электрической мощности, а с другой стороны, запасание электроэнергии для гарантированного электропитания нагрузки в периоды длительного безветрия и/или отсутствия солнечного излучения.

Мировой рынок автономных систем освещения на возобновляемых источниках энергии развивается быстрыми темпами и достиг ежегодного оборота в несколько сот миллионов долларов. Однако предлагаемые на нем устройства, в основном использующие в качестве первичного источника энергии фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) солнечной энергии, не в полной мере обеспечивают круглогодичное гарантированное электропитание осветительных устройств в средних и высоких широтах, к которым относится большая часть территории России. Данное обстоятельство подтверждает актуальность и практическую значимость данной системы освещения. В отличие от большинства зарубежных разработок разработанные системы освещения ориентируется на использование в автономных системах освещения в качестве основного первичного источника энергии микро-ВЭУ, а не на ФЭП, что позволяет существенно повысить показатель гарантированности полностью автономного электропитания осветительных приборов в климатических условиях географических районов, расположенных в средних и высоких широтах России.

Эффективность данной системы основана на научно обоснованных технических решениях, определяющих оптимальную конфигурацию и состав автономных осветительных приборов с учетом предполагаемых климатических условий их эксплуатации и требований нормативных документов по условиям освещенности типовых объектов (дороги, улицы и т.п.). Создание востребованных рынком автономных систем освещения, энергоснабжение которых осуществляется с использованием нестабильных потоков ветровой и солнечной энергии малой плотности, требует применения энергоэффективных решений с минимальными потерями вырабатываемой «дорогой» электроэнергии первичными источниками на стадиях ее преобразования и аккумулирования с обеспечением высокой компактности разрабатываемых устройств.

Структурная схема разработанной автономной системы электропитания осветительных приборов наружного освещения с использованием микро-ВЭУ, ФЭП и эффективных аккумуляторов энергии, представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 Структурная схема автономной системы освещения.

Микро-ВЭУ – микро-ветроустановка, ФЭП – фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии, АБ – аккумуляторная батарея, ОП – светодиодный осветительный прибор, ССиАУ – система сопряжения и автоматического управления

Новыми техническими решениями разработки являются:

- микро-ветроустановки с вертикальным валом типа Н-Дарье, в отличие от известных зарубежных разработок выбранные в качестве основного первичного источника энергоснабжения установки  обеспечивают, по сравнению с ветроустановками с горизонтальным валом, более высокую эффективность преобразования энергии ветрового потока, снижение уровня шума и вибрационных нагрузок, более гармоничную компоновку на опоре осветительного прибора (разработчик ОАО «ГРЦ Вертикаль», г Миасс Челябинской области);

- энергоэффективные светодиодные осветительные приборы, отличающиеся от известных, применяемых в конструкции, светосберегающей оптической системой на основе фоконных отражателей, обеспечивающей повышение эффективности использования светового потока (разработчик ОАО «ОКБ МЭЛЗ», г. Москва);

- система сопряжения и автоматического управления работой компонентов и системой в целом, специально адаптированная к разрабатываемому устройству и обеспечивающая более высокий КПД преобразования энергии.

Выбор аккумуляторов энергии и фотоэлектрических преобразователей осуществлялся из представленных на рынке наиболее эффективных образцов.

Облик разработанной системы представлен на рисунке 2, а ее блок-схема – на рисунке 3.

 

 

 Рисунок 3 Блок-схема системы автономного освещения

 

Фотография микро-ВЭУ приведена на рисунке 4, на рисунке 5 представлено 2 типа светодиодных осветительных приборов.

Рисунок 4 Микро-ВЭУ	Рисунок 5 Дорожный и уличный осветительные приборы

Особенностью системы сопряжения и автоматического управления работой автономной системой освещения является то, что она специально адаптируется к характеристикам компонентов, что обеспечивает повышение эффективности использования электроэнергии от первичных источников энергии минимум на 10-15% за счет снижения потерь на различных этапах преобразования энергии. Система управляет распределением энергии, генерируемой источниками (микро-ВЭУ и ФЭП), для заряда аккумулятора и питания нагрузки (осветителя). Система выбирает оптимальные рабочие режимы отбора мощности от источников, основываясь на измерении параметров их режимов работы, а при выходе источников или преобразователей за пределы безопасных режимов отключает генераторы, переводя преобразователи в режим защиты. Система обеспечивает заряд аккумулятора в режиме постоянного напряжения с ограничением тока заряда при условии наличия достаточной генерируемой мощности и препятствует его перезаряду и переразряду.

Рассматриваемая автономная система освещения базируется на разработанных ОИВТ РАН оригинальных динамических моделях расчетно-теоретического анализа оптимальных конфигураций и состава системы с учетом реальных климатических условий их предполагаемой эксплуатации.

Одним из важных результатов расчетно-теоретических исследований стало получение обобщенной зависимости требуемой установленной мощности ветроустановки от среднегодовой скорости ветра и обоснование оптимальных емкостей аккумулятора энергии. На основе многовариантных расчетов для широкого спектра изменения расчетных параметров показано, что с целью обеспечения круглогодичного гарантированного электропитания автономная система освещения должна снабжаться аккумулятором с емкостью, достаточной для питания осветительного прибора в течение не менее 1 суток, но не более 2 суток. Увеличение емкости аккумулятора ведет к необоснованному росту затрат, а уменьшение емкости – к необходимости существенного увеличения расчетной мощности микро-ВЭУ, ее размеров и также к росту стоимости системы.

Полученная обобщенная зависимость максимальной расчетной мощности микро-ВЭУ при указанных граничных значениях емкости аккумулятора от средней скорости ветра представлена на рисунке 6.

 

Рисунок 6 Обобщенная зависимость отношения максимальной расчетной мощности ветроустановки к электрической  мощности осветительного прибора от среднегодовой скорости ветра для оптимального диапазона емкостей аккумулятора энергии

Данная зависимость обеспечивает возможность обоснования типоразмерного ряда разрабатываемых микро-ВЭУ, оптимально подходящих для районов с различными характерными среднегодовыми скоростями ветра.

Перечисленные выше новые подходы к разработке автономных систем освещения имеют патентоспособный потенциал.