1. Системы электрического освещения селитебных территорий
1.1. Понятие и характеристика селитебной территории
Селитебная территория — часть территории населённого пункта, предназначенная для размещения жилой, общественной (общественно-деловой) и рекреационной зон, а также отдельных частей инженерной и транспортной инфраструктур, других объектов, размещение и деятельность которых не оказывает воздействия, требующего специальных санитарно-защитных зон.
Селитебная территория занимает в среднем 50-60 % территории города. В селитебной зоне могут размещаться отдельные коммунальные и промышленные объекты, не требующие устройства санитарно-защитных зон. Организация территории должна быть направлена на создание максимально благоприятных условий для удовлетворения социально-культурных и бытовых потребностей населения и минимизацию затрат времени на пространственную доступность объектов обслуживания, мест отдыха, культурно-бытовых учреждений.
Планировочную структуру селитебной территории городских и сельских поселений следует формировать с учетом взаимоувязанного размещения зон общественных центров, жилой застройки, улично-дорожной сети, озелененных территорий общего пользования, а также в увязке с планировочной структурой поселения в целом в зависимости от его величины и природных особенностей территории.
Планировка селитебной территории должна обеспечивать параметры окружающей среды, удовлетворяющие санитарно-гигиеническим требованиям, а также способствовать эстетизации среды обитания жителей, созданию архитектурного своеобразия данного города (поселения).
Селитебная зона (рис.3) делится на городской центр, жилые районы и входящие в их состав микрорайоны. Городской центр включает обычно главную площадь, на которой размещаются учреждения общегородского назначения. Жилые районы формируются в зависимости от размера города, этажности застройки и других местных условий. В общественном центре района размещают административные здания районного значения, культурно-бытовые учреждения периодического пользования.
Рисунок 3 - Структура селитебной зоны
Для селитебной зоны характерна специфичная для сельского жилища прямая связь с земельным участком. Это определяет невысокую плотность, типы и этажность домов, облик сельской жилой застройки, в которой преобладают природные элементы. В то же время повышение уровня инженерного благоустройства, развитие сетей водо - и теплоснабжения, канализации связано с уплотнением современной сельской застройки ?по сравнению с традиционной, а компактный план селитебной зоны наиболее рационален.
Размещение селитебной зоны должно предусматриваться с наветренной стороны для ветров преобладающего направления по отношению к промышленному району. При этом пожароопасные и взрывоопасные предприятия должны располагаться в отдаленной от селитебной зоны части промышленного района.
Обеспечение селитебной зоны дорогами, проездами, подъездами к зданиям и сооружениям является непременным условием успешного тушения возможных пожаров.
Под селитебную зону, как правило, отводят возвышенные места с наветренной стороны по отношению к промышленным предприятиям; промышленная зона размещается на участках спокойного рельефа с подветренной стороны от населенного места.
1.2 Анализ состояния сетей наружного освещения
Утилитарное наружное освещение - стационарное освещение, обеспечивающее безопасное и комфортное движение транспортных средств и пешеходов на дорогах, улицах, велосипедных дорожках и в пешеходных зонах парков и скверов в темное время суток.
В отдельную группу можно выделить освещение автомобильных дорог. К этому типу наружного освещения предъявляются наиболее жесткие требования, так как даже небольшое отклонение от установленных норм напрямую влияет на безопасность граждан, в частности может привести к повышению аварийности на проезжей части.
Во многих городах России пристальное внимание уделяется системам наружного освещения. Это связано со стремительным развитием городской инфраструктуры и изменением критериев качества жизни в мегаполисах. В таких городах разрабатываются стратегии развития уличного освещения и внедряются системы «умного» управления этим процессом.
Для поселков городского типа этот вопрос не менее актуален. Создание концепции единой световой среды, где учитываются все тонкости функционального архитектурно-художественного освещения, определен комплекс энергосберегающих мероприятий и прописаны критерии, позволяющие соединить воедино отдельные виды наружного освещения, также имеет большое значение.
1.3 Источники питания систем наружного освещения
Выбор систем освещения, источников света и светильников, схем и координат их расположения определяют в процессе проектирования новой или реконструируемой установки на основании технико-экономического сравнения вариантов установок по величине приведенных годовых затрат.
В большинстве случаев, встречаясь с традиционной энергетикой, мы имеем дело с уже сформированной и законченной инфраструктурой объектов, изменение которой потребует серьёзных материальных затрат. Первоначальные проекты часто не учитывают возможности изменений, поэтому необходимы разработки новых пакетов документации с учётом прокладки дополнительных электрических кабелей к трансформаторным подстанциям с возможной заменой или модификацией их силового электрооборудования. Также требуются прокладки новых кабельных линий.Использование воздушных линий электропередачи в некоторых случаях нежелательно из-за соображений эстетики и комфорта в городских и иных зонах. Прокладка кабеля в земле серьёзно осложнена наличием в земле различных инженерных систем. Всё это делает решение проблемы электропитания и, в частности, освещения в городах средствами традиционной энергетики достаточно сложной, затратной и труднореализуемой задачей.
С другой стороны, можно попытаться решить эту проблему путём использования возможностей альтернативной энергетики.
В настоящее время всё большее распространение получают автономные малые энергетические установки, накапливающие энергию возобновляемых ресурсов планеты. В нашем случае для полностью автономного освещения мы способны использовать энергию ветра, солнца или комбинировать их вместе.
Энергия ветра может быть получена и преобразована в электрическую при помощи маломощных ветрогенераторов (рис.4), но их использование в городе или поселке может приводить к нежелательным последствиям.
Рисунок 4- Устройство ветрогенератора
Ветрогенераторы забирают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветряков это замедление теоретически может оказывать заметное влияние на локальные (и даже глобальные) климатические условия местности. В частности, снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Ветроэнергетические установки являются источниками механического аэродинамического шума и являются потенциальной угрозой для птиц и животных, что крайне нежелательно в условиях рекреационной зоны набережной. Наличие механических и подвижных элементов в конструкции ветряных электрогенераторов снижает общий уровень надёжности подобных устройств по сравнению с установками солнечной энергетики. Поэтому в данной работе рассмотрены именно солнечные ресурсы.
Полупроводниковая солнечная энергетика – один из самых безопасных видов альтернативной энергетики, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно). Это позволяет неограниченно использовать её возможности в городских условиях.
Функционирование современной альтернативной энергетики в промышленном масштабе серьёзно ограничено уровнем технологий и сложившейся мировой коньюктурой, но использование энергии солнца как источника питания систем наружного освещения и других слаботочных потребителей, это первый логичный шаг на пути к освоению возможностей солнечной энергетики и отличный пример возможности функционирования децентрализованной автономной микроэнергетики. Одной из главных особенностей климата, мешающих круглогодичной работе и развитию солнечной энергетики в средней полосе РФ, является устойчивый снежный покров и низкие температуры в зимние месяцы. Выпавший снег приводит к необходимости очистки и дополнительного обслуживания энергетических установок, а низкая температура, в свою очередь, ограничивает типы или ухудшает характеристики используемых накопителей электрической энергии. С другой стороны, вследствие высокого значения коэффициента отражения снега, доходящего до 85%, увеличивается сила отражённого, рассеянного света, которая увеличит отдаваемый фотоэлементами ток. В то же время высокая стоимость компонентов и низкая стоимость традиционных энергоносителей увеличивает сроки окупаемости фотоэлектрических систем, что в свою очередь требует многократного повышения их надёжности и уровня автономности, снижения эксплуатационных затрат и исключения влияния человеческого фактора.
Одним из решений этих проблем могут стать автономные установки малой мощности (рис.6), накапливающие энергию рассеянного света, с несколькими вертикально расположенными, статичными фотоэлектрическими элементами, направленными не только на южную, но и на остальные стороны света. Размещение модулей перпендикулярно земле препятствует отложению на них снега зимой, способствует возможности самоочистки и не требует дополнительного обслуживания. Это компоновочное решение позволяет использовать модули в качестве оболочки конструкции, даёт возможность разместить внутри накопители энергии и схемы управления, что снижает общую материалоёмкость, уменьшает затраты на логистику.
Рисунок 6 – Система автономного уличного освещения на солнечной батарее
1.4 Анализ климатических условий в местности планируемого применения
Плотность солнечного излучения в средней полосе России выше, чем в ряде европейских стран. Россия имеет огромную площадь и не всегда есть возможность подвести электричество к отдельным объектам. Поэтому всё больше растёт интерес к использованию автономных источников бесперебойного энергоснабжения с подпиткой отсолнечной энергии. Заинтересованность в использовании солнечных батарей всё больше увеличивается, учитывая постоянное снижение цен на солнечные элементы, производство некоторых из которых уже начато на территории России. Постоянно снижающаяся стоимость оборудования, экологичность и низкие эксплуатационные расходы делают автономные солнечные панели выбором для отдельных объектов на территории России.
На рисунке 7 представлена карта территории Российской Федерации с усредненными значениями среднемноголетней среднемесячной суммарной солнечной радиации.
Рисунок 7 - Усредненные значения среднемноголетней среднемесячной суммарной солнечной радиации РФ
Для анализа климатических особенностей выбрана Западная Сибирь. В основном по большей части территории Сибири распространён континентальный климат. К исключению относятся территории, находящиеся на побережье Тихого океана. В большей части года во многих районах Сибири имеется существенный недостаток тепла. Поэтому в основном население Сибири располагается в ее южной части. Ниже в графиках приводится статистика по климату города Барнаула.
Характеристики данного климата выражаются холодной и затяжной зимой, и коротким, и часто жарким летом. Температура зимой в максимальной отметке может опускается до - 40 оС, а летом может достигать + 40 оС.
Часто встречающиеся максимальные температуры длятся от нескольких дней до двух-трех недель и обеспечивают перепад до 80 оС между летом и зимой. Такие колебания температуры в течение года предъявляет особые требования к строительным материалам, конструкциям и системам жизнеобеспечения зданий.
В Сибирском климате необходимы соответствующие инженерные и технические решения, чтобы обеспечить их долговечность, экономию энергии, комфортные условия и доступностью цен.
Возможность установки светильника с питанием от солнечной батареи зависит от следующих факторов: уровня солнечной радиации, количества солнечных дней в году и продолжительности освещения системы в ночное время.
Уровень солнечной радиации и продолжительность освещения в ночное время напрямую связана с географической широтой, однакоопределяется и климатическими условиями.
Несмотря на то, что в Алтайском крае холодный климат, всё же в регионе присутствует достаточное количество солнечных дней. Продолжительность солнечного излучения составляет одну четвертую части года. Этот фактор является благоприятным для использования солнца в качестве альтернативного источника электроэнергии. На рисунке 8 показаны данные по распределению солнечного излучения по месяцам.
Так же важным параметром является количество распределённой солнечной энергии на 1 м. кв. Эти данные приведены в таблице 1. Как видно из показателей таблицы основное поступление солнечной энергии в основном приходится только на летние месяцы. С ноября по февральнаблюдается с дефицит солнечной энергии.
Рисунок 8 – Среднесуточное количество солнечных часов в Алтайском крае
Несмотря на это, общего количества солнечной энергии достаточно, находится примерно на том же уровне, что и в южных регионах центральной части России, где климат намного мягче, а зимние температуры редко опускаются ниже -10-15 оС.
Таблица 1 - Поступление солнечной радиации по месяцам, МДж/м2
Месяцы Янв. Фев. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сен. Окт. Нояб. Дек.
Барнаул 176 282 512 685 874 937 902 757 532 363 166 161
Всего за год 6347 МДж/м2
Исходя из представленных данных, показатели солнечного излучения, вполне достаточны для эффективного применения солнечных фотоэлементов.
2 Разработка конструкции и схемы управления экономичной системы уличного освещения
2.1 Основные требования к системам освещения
Как показывают проведенные исследования, системы электроснабжения с питанием от ВИЭ могут быть максимально эффективными только в случае индивидуального подхода к решению конкретной задачи. Кроме того, такой подход позволяет существенно сэкономить финансовые затраты на тот или иной проект, так как производители соответствующего оборудования, как и его продавцы, во избежание коммерческих рисков закладывают в него максимальный запас по мощности и прочим параметрам. И связано это в первую очередь с тем, что солнечное излучение не постоянно как в течении года, так и в течении суток.
Т.е., система может отлично работать летом, и быть бесполезной зимой. Или, например, она может справляться с нагрузкой в солнечные дни, и отказать в том случае, если пасмурная погода будет несколько дней подряд.
Поэтому, при разработке конструкции солнечных систем, всегда учитываются все возможные варианты и режимы работы, и, закладывая минимум надежности для работы в зимний период, остальное время года, система может иметь надежность, повышенную в разы, что серьезно сказывается на конечной стоимости всей системы.
При разработке эффективной с точки зрения, как экономичности, так и экономических показателей системы уличного освещения, был предложен иной вариант решения проблемы надежности.
Во-первых, ввиду того, что использовать систему освещения предполагалось в небольших населённых пунктах, в основном в сельской
местности, в тех местах, где в настоящее время она полностью отсутствует, появилась возможность снизить требования СНиП в сторону понижения яркости покрытия (кд/м2) и горизонтальной освещенности (лк). Во-вторых, добиться максимальной эффективности системы, можно лишь на основе использования современных, так называемых «умных» технических средств, которые бы осуществляли не только управление режимами работы, но и осуществляли контроль работы всей системы в автоматическом режиме. В-третьих, что немаловажно при проектировании осветительной системы на основе ВИЭ, все используемое оборудование рассчитано на напряжение 12-24В, максимум - 48В. Т.е., с точки зрения электробезопасности, и прочих требований к электрическому освещению, оно не относится к электрооборудованию с рабочим напряжением до 1000 В.
Наружное освещение городов, поселков и населенных пунктов в сельской местности, проектируется с учетом требований СП 52.13330.2016. Требования к освещению улиц и дорог в городах и сельских населенных пунктах существенно различаются. Нормативы искусственного освещения дорог, улиц и площадей в городах и сельских населённых пунктах приведены в таблице 2 и таблице 3.
Таблица 2 - Магистральные дороги и улицы общегородского значения
Интенсивность движения транспорта, ед/ч Яркость покрытия,
кд/м2 Горизонтальная
освещенность
покрытия, лк
Более 3000 1,6 20
От 1000 до 3000 1,2 20
От 500 до 1000 0,8 15
Таблица 3 - Улицы и дороги районного и местного значения
Интенсивность движения транспорта, ед/ч Яркость покрытия,
кд/м2 Горизонтальная
освещенность
покрытия, лк
Более 2000 1,0 15
От 500 до 1000 0,6 10
Менее 500 0,3 4
Известно, что в больших городах, с высокой интенсивностью движения, указанные в таблице 1 нормы освещенности, как правило, выдерживаются. Несколько иначе всё обстоит в муниципальных районах и сельских населенных пунктах. Там, во-первых, строительство абсолютно новых улиц и дорог – явление достаточно редкое, а во-вторых, техническое обслуживание и эксплуатация систем уличного освещения требует не только материальных затрат, но и соответствующих специалистов. Поэтому, в небольших населённых пунктах уличное освещение зачастую не функционирует, демонтируется или быстро приходит в негодность.
Сейчас, когда в России начинают вновь возвращаться к решению проблем, связанных с обеспечением комфортной среды для проживания населения, наравне с вопросами ЖКХ, возникают вопросы и по благоустройству, в том числе и по уличному освещению. Вместе с тем, процесс строительства систем уличного освещения достаточно длительный, в отдельных случаях требующий полного восстановления всей инфраструктуры, начиная от питающих сетей и подстанций, и заканчивая установкой опор и мачт освещения.
Соответственно, из-за отсутствия необходимых финансовых ресурсов, решить данную проблему в сельских населённых пунктах, достаточно сложно.
В этой связи, разработка таких систем уличного освещения, которые бы не требовали больших капитальных затрат, позволяли бы наращивать мощность, а их обслуживание производилось бы 1-2 раза в год, является достаточно актуальной.
Для обеспечения требований СП 52.13330.2016, были произведены расчёты мощности светодиодного светильника.
По основным параметрам данный светильник должен быть аналогичен стандартному, применительно к опорам высотой 6-8 м, и лампой типа ДРЛ.
Мощность ламп ДРЛ стандартных светильников варьируется от 125 до 1000 Вт, но, наиболее подходящие по мощности (в качестве аналога) – это лампы 125 Вт и 250 Вт, со световым потоком, 5900 лм и 13000 лм.
Примерный диаметр светового пятна с опоры высотой 6-8 м, должен составлять около 25 м (S = 1963,5 м2) с освещенностью в 17-30 лк. Величина светового потока лампы (лм) определяется по формуле:
Флюмен= Флокс · S,
где Флюкс– освещенность;
S – площадь светового пятна.
Таким образом, минимальная освещенность, которую дает в качестве фонаря уличного освещения лампа типа ДРЛ-125, составляет:
Флюкс = 5900 / 1963,5 = 3,004 лк.
Используя вышеприведенные расчеты, можно сделать вывод, что наиболее экономичным источником света для уличного освещения небольших сельских муниципальных образований, будут осветительные установки со световым потоком не менее 2500-3400 лм и потребляемой мощностью 30-50Вт. Такие консольные светодиодные светильники выпускаются отечественной промышленностью и широко используются, но, для системы освещения на основе использования ВИЭ, которую необходимо разработать, они не подходят. Установка таких светильников требует установки более мощного источника электропитания, который смог бы обеспечить надежную зарядку аккумулятора.
Таким образом, для построения экономичной системы уличного освещения для нужд населенного пункта в сельской местности, необходимо разработать принципиально новую, интеллектуальную систему управления режимами работы и «умный» светильник со ступенчатым изменением светового потока.
Структурная схема, поясняющая принцип работы системы уличного освещения с питанием от солнечной батареи, представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 – Структурная схема экономичной системы уличного освещения 1 – солнечная батарея; 2 – блок датчиков; 3 – светильник ; 4 – блок управления; 5 – блок аккумулятора; 6 – диагностический разъем
2.2 Принцип работы и особенности конструкции системы
Принцип работы предлагаемой системы фактически не отличается от прочих систем, использующих в своем составе солнечные батареи.
Постоянный электрический ток напряжением, около 18 В генерируется солнечной панелью (1) и поступает в блок управления 4, в составе которого находится контроллер зарядки аккумулятора и трекер. Свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 150 А/ч, по расчетам, обеспечивает работу всей системы без подзарядки не менее 30 часов, что с учетом работы в темное время, составляет ориентировочно, в летний период – 6 суток, в зимний – 3 сутки, в осенний и весенний период, примерно 4 суток. Так как свинцово-кислотные аккумуляторы чувствительны к низким температурам, изначально, в системе был предусмотрен подогрев аккумуляторного блока. Подогрев автоматически включается в холодное время года, при понижении температуры ниже 20 °С, и при условии, что аккумулятор полностью заряжен. Таким образом, вырабатываемая солнечной батареей электроэнергия не пропадает зря, а используется для поддержания оптимальной для работы аккумулятора температуры, что повышает как экономичность, так и долговечность всей системы.
Позже, в ходе экспериментальных исследований, для защиты аккумулятора от воздействия низких температур, решено было разместить его на некотором углублении в грунте рядом с опорой, в результате чего необходимость в подогреве отпала.
Нормативная глубина промерзания грунта в Алтайском крае (Индустриальный район), согласно СП 131.13330.2016 составляет около 1,75 и более метров, в зависимости от типа грунта. Речь идет о температуре ниже 0 °С, т.е., допустимая для работы температура, при условии дополнительного утепления контейнера, может находиться на глубине не менее 0,5 м.
Блок управления 4 получает данные о температуре окружающей среды и её освещенности посредством блока 2, который состоит из датчиков температуры и освещенности. Датчик температуры позволяет системе достаточно точно определять время года без привязки по времени, и управлять таким образом режимом работы светильника. В зависимости от времени года, интенсивности солнечного излучения и уровня зарядки аккумулятора, светильник может работать в трех режимах: в режиме максимальной мощности, средней мощности, и в экономичном режиме.
Кроме того, при длительной работе светильника в экономичном режиме, система оценивает уровень заряда аккумулятора, и переходит на режим работы по таймеру. В этом режиме, после захода солнца, светильник включается в работу в экономичном режиме на время T1, после чего отключается, и включается за время T2 до восходя солнца. Время T1 и T2 может изменяться в сторону уменьшения или увеличения, в зависимости от уровня зарядки аккумуляторной батареи.
Датчик освещенности (блок 2) служит для включения светильника при наступлении темного времени суток, и отключения при появлении первых лучей солнца.
Система имеет диагностический разъем 6, который позволяет с помощью специально разработанного программного обеспечения контролировать все параметры системы, программировать её работу, изменять режимы работы, определять уровень загрязнения солнечной батареи и т.д. Подключение компьютера к системе уличного освещения производится посредством последовательного интерфейса по стандарту USB 2.0.
2.3 Исследование фотоэлектрических преобразователей, принцип работы и устройство солнечных батарей
