Стратегия развития энергообеспечения в уличном освещении

Неутешительные прогнозы удорожания органического топлива и как следствие повышение тарифов на сетевую электроэнергию требует поиска новых путей развития энергообеспечения  уличного освещения. Появление высокоэффективных дугоразрядных натриевых ламп и светодиодных светильников частично уже решили проблему снижения затрат на покупную электроэнергию  для целей уличного освещения. Однако рост тарифов на электроэнергию составляет около 20% в год, а это приводит к тому, что через 5 лет эксплуатации любой  новейшей системы уличного освещения все усилия по снижению затрат сводятся на нет.

Анатолий Сошинов, соавторы В.Галущак, И.Артюхов, Г.Угаров.

Это вынуждает администрации поселений снижать объемы уличного освещения и частично отказаться от него вообще, что мы уже наблюдаем в деревнях и селах.

С 2004 года авторы данной статьи уже пришли к выводу о неизбежности отказа  использования  в уличном освещении покупной сетевой электроэнергии [1]. С отставанием в 3-4 года от российских специалистов к тому же мнению пришли и зарубежные исследователи [2].

Так в чем же состоит стратегия развития энергообеспечения уличного освещения. Она естественным образом вытекает из сравнительных характеристик различных источников света,  приведенных в таблице 1.

Как следует, из приведенной таблицы, в настоящее время перспективными для уличного освещения являются светодиоды, так как он имеют наивысшую светоотдачу, а так же недостижимый для других источников света срок  эксплуатации -100 000 часов. Причем последний показатель чрезвычайно важен для снижения затрат на эксплуатацию уличного освещения, так как, например, для замены в уличном светильнике лампы типа ДНаТ, стоимостью около 500 руб., требуется применения машин и механизмов с затратами до 10-15 тыс. за машино-час.

Таблица 1. Характеристики источников света

Однако вернемся к первоначальному показателю - светоотдаче. Появление светодиодов, как высокоэффективного источника света, революционным образом меняет стратегию развития энергообеспечения уличного освещения, так как реально позволяет отказаться от подключения уличных фонарей к промышленной электрической сети.

Согласно СНиП 23-5-95 для дорог и улиц районного и местного значения, внутриквартальных зон, парков, детских площадок, тротуаров системы уличного освещения должны создавать на освещаемой поверхности освещенность в 6-10 люкс. Как показывают эксперименты с использованием светодиодов, для создания такой освещенности, в зависимости от высоты подвеса, достаточно мощности светодиодной матрицы 10-30 Вт. И это на светодиодах современного производства. В то же время можно ожидать появление еще более эффективных светодиодов со светоотдачей 300лм/Вт, что только увеличит преимущество предлагаемого пути развития.

В то же время такая малая мощность, требуемая для целей освещения, может быть получена из энергии природной среды, например из солнечной или ветровой энергии или с помощью высокоэффективных электрохимических генераторов [3].

Расчеты показывают, что при диаметре опоры уличного фонаря 0,25 м и высоте 10 м. на нее приходит 2 кВт солнечного излучения, т. е. для получения мощности 10 Вт. Достаточно чтобы у устройства преобразующего солнечное излучение в электрическую энергию был КПД 0,5%. В современных солнечных батареях КПД уже составляет 10 - 12%.

Известно, что в ветрогенераторах, при скорости ветра 10 м/сек, с ометаемой ветроколесом площади в один кв. м можно снять 0,3 кВт электрической мощности. Значит, на площадь указанного фонарного столба приходится 0,6 кВт, а это означает, что устройство преобразования приходящей на опору ветровой энергии должна иметь КПД около 2%. В современных ветроустановках уже достигнуто КПД 30%.

Таким образом,  на опору уличного фонаря приходит энергия природной среды во много  раз больше, чем ее нужно для организации уличного освещения.

 Наиболее удачные технические решения по использованию энергии природной среды для целей уличного освещения авторами указывались ранее [4]. Однако все такие уличные фонари обладают высокой стоимостью и низкой вандалоустойчивостью.

Целенаправленная работа по улучшению этих двух характеристик показала возможность создания вандалоустойчивых уличных фонарей, используемых энергию солнечного излучения и ветра при относительно низкой стоимости таких устройств.

Следующий важный вопрос - возможность работы уличного фонаря без солнца и ветра. Здесь нам видится следующий концептуальный подход. Общее время работы уличного фонаря около 4000 часов в год. Солнечная энергия поступает в среднем  около 2200 часов, а ветровая 3500 часов в год (зависит от климата в точке наблюдения). Так что совместная генерация в 5700 часов хватает, чтоб покрыть годовые потребности фонаря. Однако бывают периоды полного отсутствия солнца и ветра (тихая погода, туман). В практике электроэнергетики существует норма - каждая электростанция должна обладать запасом топлива на 14 дней работы. Предположим что это зима, и фонарь должен работать 16 часов в сутки. Если взять за основу это положение, то необходимая емкость аккумулятора уличного фонаря составит  2 кВтчаса. Такая емкость может быть обеспечена не только широко распространенными электрохимическими аккумуляторами, но и современными суперконденсаторами. Номинальное число циклов заряд-разряд в суперконденсаторах доходит до 300 000, а это значит, что его замена, как и замена светодиодов, не требуется в течение всего срока службы уличного фонаря.

Исходя из сказанного, стратегия развития энергообеспечения уличного освещения нам видится в использовании для целей освещения возобновляемых источников энергии. При этом источниками света в уличных фонарях должны стать светодиоды, а аккумулирование энергии должно осуществляется суперконденсаторами.

Работы по разработке недорогих устройства преобразующих энергию природной среды в электрическую с КПД более 2% с обеспечением высокой вандалоустойчивости таких устройств, как раз и должны  стать приоритетным направлением научного поиска.

Список литературы:

• 1. Галущак В.С. уличный светильник с питанием от солнечной и ветровой энергии// Патент России № 2283985 МПК F21S 9/02 с приоритетом от 09.04.2004
• 2. http://www.molina.ru
• 3. Галущак В.С., Сошинов А.Г. Автономный светильник // Патент России №36487 с приоритетом от 05.06.2007
• 4. Галущак В.С., Сошинов А.Г., Угаров Г.Г. Системы наружного электрического освещения от возобновляемых источников энергии // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сборник трудов МНТК - г. Тольятти: ТГУ. - 2009, с.19-22