सड़क प्रकाश व्यवस्था हेतु AC से DC परिवर्तन: इंजीनियरिंग गाइड

के द्वारा प्रकाशित किया गयाओएसडी संपादकीय टीम, फैक्टरी इंजीनियर, जिनके पास उत्पादन और फील्ड सर्विस में 15 वर्ष का अनुभव है मेंसबसे लोकप्रिय, समाधान

(“Street Lighting Conversion from AC to DC: Engineering Guide”)

AC सड़क प्रकाश व्यवस्था को DC सौर प्रकाश व्यवस्था में परिवर्तित करना, घटकों का आदान-प्रदान नहीं, बल्कि संरचनात्मक परिवर्तन है। मूल पृष्ठ में इस प्रक्रिया को एक विद्युत-इलेक्ट्रॉनिक्स संबंधी कार्य (प्रतिसरणकर्ता, फिल्टर, इन्वर्टर का उपयोग) के रूप में वर्णित किया गया है। वास्तव में, यह परिवर्तन सड़क प्रकाश व्यवस्था से बिजली आपूर्ति के स्रोत को हटाकर प्रत्येक पोल पर स्वतंत्र DC ऊर्जा स्रोत को लगाने से संबंधित है। यह गाइड इस प्रक्रिया में शामिल कार्यों, ऐसी परिस्थितियों में इसके उपयोग की संभावनाओं, एवं आर्थिक दृष्टिकोण से इसके फायदों के बारे में जानकारी देता है।**

परिवर्तन में वास्तव में क्या शामिल है?

(“What actually involves the conversion?”)

एक AC सड़क प्रकाश व्यवस्था में तीन प्रमुख घटक होते हैं:

बिजली आपूर्ति का स्रोत (ग्रिड),
नियंत्रण उपकरण (ड्राइवर/बैलास्ट),
प्रकाश उत्पन्न करने वाला उपकरण (ल्यूमिनेयर)।

दूसरी ओर, DC सौर प्रकाश व्यवस्था में ये सभी तीनों घटक ही प्रतिस्थापित हो जाते हैं।

सौर पैनल सीधे DC विद्युत उत्पन्न करता है।
चार्ज कंट्रोलर , उत्पन्न विद्युत को LiFePO4 बैटरी में संग्रहीत करता है; LiFePO4 बैटरी लीथियम-आयरन-फॉस्फेट (Lithium-Iron-Phosphate) प्रकार की होती है, जो आंशिक चार्ज/डिस्चार्ज प्रक्रियाओं को सहन कर सकती है एवं लंबे समय तक ऊर्जा धारण कर सकती है (जबकि लेड-एसिड बैटरियाँ ऐसा नहीं कर पातीं)।
LED ल्यूमिनेयर , बैटरी से ही विद्युत प्राप्त करके प्रकाश उत्पन्न करता है।

इस पूरी प्रक्रिया में किसी प्रतिसरणकर्ता (रेक्टिफायर) की आवश्यकता नहीं पड़ती।

मूल पृष्ठ पर दिए गए विवरणों में एक ऐसे बिजली स्रोत (AC/DC पावर सप्लाई) का उल्लेख किया गया है जो ग्रिड से ऊर्जा प्राप्त करता है। इस हार्डवेयर का केवल एक ही उद्देश्य है – ऐसे डीसी (DC) लोड्स (जैसे सीसीटीवी कैमरे, सूचना प्रदर्शक या संचार मॉड्यूल) को एसी (AC) सर्किट से बिजली प्रदान करना, बिना किसी बैटरी के। यदि आपका उपयोग इसी प्रकार के डीसी लोड्स के लिए है, तो आपको एक रेक्टिफायर (rectifier) की आवश्यकता होगी… न कि किसी सौर प्रणाली (solar system) की।

ऐसे रिट्रोफिट (retrofit) कार्यों के पीछे की चार मुख्य समस्याएँ

हमें मिलने वाले अधिकांश रिट्रोफिट संबंधी अनुरोध, मौजूदा एसी सर्किट में मौजूद चार समस्याओं में से किसी एक के कारण होते हैं। ये समस्याएँ सभी समान रूप से गंभीर नहीं होतीं; इसलिए पैसे खर्च करने से पहले इनकी गंभीरता का आकलन करना आवश्यक है।

पुराने लाइटिंग उपकरण एवं कम रोशनी: पुराने, उच्च-दबाव वाले सोडियम या प्रथम पीढ़ी के एलईडी (LED) उपकरण आजकल के प्रकाश-मानकों के अनुरूप नहीं हैं। डीसी (DC) एलईडी उपकरणों से रोशनी में सुधार हो सकता है; लेकिन सबसे पहले यह आवश्यक है कि सड़कों के वर्गीकरण (यूरोप में EN 13201, उत्तरी अमेरिका में IES दिशानिर्देश) के आधार पर प्रकाश-व्यवस्था संबंधी गणनाएँ की जाएँ, इसके बाद ही कोई उपकरण खरीदा जाए।
जटिल एवं अदस्तावेजीकृत विद्युत परिपथ: जब विभिन्न दशकों में विभिन्न ठेकेदारों द्वारा परिपथ बनाए गए, तो उनमें खराबियों का पता लगाना अक्सर उस ऊर्जा की तुलना में अधिक महंगा पड़ जाता है जिसे ये उपकरण बचा सकते हैं। स्वतंत्र सौर उपकरण ऐसे परिपथों की समस्याओं को पूरी तरह से दूर कर देते हैं; क्योंकि एक उपकरण के खराब होने से पूरा परिपथ प्रभावित नहीं होता।
लैंपों का अक्सर बदलना: अलग-अलग मॉडलों एवं असंगत ड्राइवरों के कारण लैंपों का बदलना एक जटिल प्रक्रिया बन जाता है। एक ही डीसी उपकरण परिवार एवं मेल खाने वाले ड्राइवरों का उपयोग करने से यह समस्या दूर हो जाती है। यह तो केवल खरीदारी संबंधी समस्या है, तकनीकी समस्या नहीं।
टाइमर या मैन्युअल नियंत्रण: हम द्वारा निर्मित सभी डीसी उपकरणों में फोटोसेल या समय-आधारित नियंत्रण प्रणालियाँ शामिल हैं। यह चारों समस्याओं में से सबसे छोटी है; इसलिए इसी के आधार पर निर्णय लेना उचित नहीं है।

जहाँ इस परिवर्तन की आवश्यकता है… और जहाँ नहीं

(“Where the conversion fits—and where it doesn’t”)

पुनर्निर्माण (retrofit) संबंधी जाँच में हमारी पहली माँग एक “पोल सर्वेक्षण” (pole survey) होती है; इसमें पोलों पर पड़ने वाली छायाओं की तस्वीरें एवं बिजली की दरें (utility tariffs) भी शामिल होती हैं। इन दोनों जानकारियों के आधार पर हम प्रकाश संबंधी गणनाएँ (lighting calculations) एवं स्वायत्तता संबंधी गणनाएँ (autonomy calculations) करते हैं। हम निम्नलिखित मापदंडों के आधार पर निर्णय लेते हैं:

मापदंड	डीसी सौर प्रणाली (DC solar system) का उपयोग उपयुक्त है	एसी प्रणाली (AC system) को जारी रखना उचित है
ग्रिड से बिजली की आपूर्ति (Grid power supply):	यदि ग्रिड उपलब्ध न हो, या उस तक पहुँचने हेतु खुदाई की आवश्यकता हो, तो परियोजना की लागत अधिक होगी।	यदि ग्रिड पोल पर ही उपलब्ध हो एवं बिजली की दरें कम हों, तो डीसी प्रणाली उपयुक्त है।
पोल पर पड़ने वाली छायाएँ (Pole shading):	यदि छायाएँ प्रबंधनीय हों, या दूरस्थ पैनलों (remote panels) के उपयोग से इन्हें दूर किया जा सके, तो डीसी प्रणाली उपयुक्त है।	यदि छायाएँ अत्यधिक हों, तो पहले उनका समाधान किया जाना आवश्यक है (हमारा “छाया-निवारण मार्गदर्शिका” देखें: /solutions-shaded-areas-solution)।
पोलों की स्थिति (Pole condition):	यदि पोल सुरक्षित हों, या भार जाँच (load check) के बाद पुनः उपयोग में लाए जा सकें, तो डीसी प्रणाली उपयुक्त है।	यदि पोल अपने उपयोगी जीवनकाल के अंत में हों, तो नए पोल खरीदने ही पड़ेंगे।
प्रकाश स्तर (Light levels):	यदि 20–100 वाट की डीसी लाइट से सड़क/पार्क की आवश्यकताएँ पूरी हो सकें, तो डीसी प्रणाली उपयुक्त है।	यदि सड़क बहुत ऊँची हो या बहुत चौड़ी हो, तो डीसी प्रणाली आर्थिक रूप से उपयुक्त नहीं होगी।

एक ऐसी साइट, जिसमें पहले से ही एसी (AC) फीड, ध्वनि पोल (sound poles) एवं कम टैरिफ (low tariffs) उपलब्ध हैं, अभी भी अपग्रेड करने योग्य है – बस उस साइट पर मौजूद एसी फीड पर बेहतर लाइटिंग उपकरण (luminaire) लगाकर, सौर ऊर्जा (solar energy) का उपयोग किए बिना। ऐसा करने से हमें उस साइट पर का ऑर्डर खोना पड़ता है, लेकिन ग्राहक को बैटरियों के नियमित रिप्लेसमेंट (battery replacements) से एक दशक की बचत हो जाती है।

स्टैंडअलोन डीसी (DC) लाइटिंग सिस्टम के सामान्य पैरामीटर (Typical parameters for standalone DC lighting systems):

नीचे दिए गए पैरामीटर हमारे उत्पादों के सामान्य विशेषताओं का प्रतिनिधित्व करते हैं; ये कोई आधिकारिक कोट (quotation) नहीं हैं। अंतिम आकार (final size) लाइटिंग एवं स्वायत्तता संबंधी गणनाओं (lighting and autonomy calculations) के आधार पर तय किया जाता है:

पैरामीटर	सामान्य रेंज	टिप्पणियाँ
सिस्टम वोल्टेज	12 वोल्ट या 24 वोल्ट डीसी	15 मीटर से अधिक की दूरी या 60 वॉट से अधिक के लोड के लिए 24 वोल्ट को प्राथमिकता दी जाती है
एलईडी उपकरण (LED fixtures) की शक्ति	20–60 वॉट (पथों के लिए), 30–100 वॉट (सड़कों के लिए)	शक्ति का निर्धारण लाइटिंग गणनाओं के आधार पर किया जाता है, पुराने लैंप की शक्ति के आधार पर नहीं
पीवी (PV) मॉड्यूल (PV modules)	60–150 वॉट (एकल उपकरण के रूप में); 100–400 वॉट (विभाजित प्रणालियों में)	विभाजित प्रणालियों में पैनलों को छाया से दूर रखा जा सकता है
बैटरी (Batteries)	30–100 एएच लीफिपो4 (LiFePO4) 12 वोल्ट पर	डिज़ाइन किए गए लोड पर 3–5 रातों तक बिना सूर्य के कार्य करने हेतु उपयुक्त
चार्ज कंट्रोलर (Charge controller)	एमपीपीटी (MPPT), 10–20 एम्पीयर (MPPT)	जब पैनल का वोल्टेज (Vmp – Maximum Power Voltage) बैटरी के वोल्टेज से अधिक होता है, तो एमपीपीटी चार्ज कंट्रोलर अपनी लागत को वसूल लेता है

वोल्टेज-ड्रॉप (Voltage-Drop) संबंधी नियम, जिसे मूल पृष्ठ में उल्लेख नहीं किया गया है

मूल दावा है कि डीसी (DC) प्रसारण में एसी (AC) प्रसारण की तुलना में कम ऊर्जा हानि होती है। पोल (pole) स्तर पर यह सच है – क्योंकि डीसी प्रणाली में कोई ट्रांसफॉर्मर नहीं होता, इसलिए कोई प्रतिक्रियाशील हानि (reactive loss) भी नहीं होती। लेकिन इस दावे के साथ एक शर्त जुड़ी है, जिसका मूल पृष्ठ में कभी उल्लेख नहीं किया गया है: 12 वोल्ट पर धारा (current) अधिक होती है, एवं तांबे में होने वाली हानि (copper loss) धारा के वर्ग के अनुपात में बढ़ती है। 12 वोल्ट पर 60 वाट का लोड 5 एम्पीयर (A) की धारा को खींचता है; यदि इस 5 एम्पीयर की धारा को 30 मीटर लंबे, कम गुणवत्ता वाले केबल (under-sized cable) में भेजा जाए, तो लाइट (luminaire) की चमक स्पष्ट रूप से कम हो जाती है।

एक गणनात्मक उदाहरण: 4 मिमी² व्यास के केबल में 5 एम्पीयर की धारा 30 मीटर की दूरी पर चलने पर लगभग 1.3 वोल्ट की वोल्टेज-ड्रॉप होती है – जो 12 वोल्ट वाली प्रणाली के लगभग 11% बराबर है, एवं यह मात्रा लाइट के ड्राइवर (driver) को उसकी सीमा (cutoff point) तक पहुँचाने के लिए पर्याप्त है। हम हर उद्धरण (quotation) पर यही नियम लागू करते हैं।

12 वोल्ट की प्रणाली को लगभग 15 मीटर की दूरी तक ही उपयोग में लाएँ; अन्यथा प्रणाली को 24 वोल्ट पर सेट कर दें।
केबल ऑर्डर करने से पहले ही, वास्तविक केबल शेड्यूल के आधार पर वोल्टेज में होने वाली गिरावट की गणना कर लें।
जब पैनलों की दूरी अधिक हो, तो “MPPT” (Maximum Power Point Tracking) तकनीक का उपयोग करें। यह पैनलों को उच्च वोल्टेज पर काम करने की सुविधा देती है, एवं बैटरी के पास वोल्टेज को कम कर देती है; जिससे केबल में प्रवाहित होने वाली धारा में कमी आ जाती है। हमारा कंट्रोलर साइजिंग कैलकुलेटर दी गई पैनल, बैटरी एवं पैनलों की दूरी के आधार पर यह गणना करता है।

जब आपको वास्तव में इन्वर्टर (DC → AC) की आवश्यकता होती है…

कुछ पुरानी प्रणालियों में (रेट्रोफिटिंग के दौरान) पोल पर AC की आवश्यकता होती है – जैसे कैमरा, डिस्प्ले, या AC एडाप्टर वाले सेंसर। ऐसी स्थितियों में बैटरी एवं लोड के बीच एक इन्वर्टर लगाएँ; यह आउटपुट की आवृत्ति एवं वोल्टेज को समायोजित करता है। हमारे निर्माण प्रक्रम से संबंधित तीन महत्वपूर्ण नियम निम्नलिखित हैं:

इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए “प्योर साइन वेव” (Pure Sine Wave): संशोधित-वर्गाकार इन्वर्टर (modified-square inverters) कुछ ड्राइवरों (drivers) एवं स्विच-मोड सप्लाई (switch-mode supplies) को प्रभावित कर सकते हैं।
इन्वर्टर का आकार, लगातार लोड (continuous load) के अनुसार होना चाहिए, न कि चरम लोड (peak load) के अनुसार: ऐसा इन्वर्टर जो किसी ऐसे अचानक वृद्धि (surge) के लिए डिज़ाइन किया गया हो, वह बेकार में ही ऊर्जा खपत करेगा।
“बेकार ऊर्जा-खपत” (idle energy consumption) पर ध्यान दें: एक 200 वाट का इन्वर्टर, जो बिना किसी लोड के भी 5–10 वाट ऊर्जा खपत करे, रातभर में एक छोटी बैटरी को खाली कर सकता है। किसी संकीर्ण-आकार वाली स्वायत्त प्रणाली (autonomous system) में, यह बेकार ऊर्जा-खपत ही 3 रातों की तुलना में 4 रातों तक कार्य करने का अंतर पैदा कर सकती है।

एसी (AC) का वास्तविक लाभ: एसी का लाभ उच्च वोल्टेज पर लंबी दूरी तक बिजली पहुँचाने में है; लेकिन यह लाभ एकल पोल (single pole) पर लागू नहीं होता। जहाँ पहले से ही एक स्थिर बिजली ग्रिड (stable power grid) मौजूद है, वहाँ एसी उपकरणों को सीधे बिजली देना, बैटरी के आगे-पीछे होने वाले नुकसानों (battery round-trip losses) को जोड़ने से बेहतर है।

“ईमानदार आर्थिक विश्लेषण” (Honest Economic Analysis):

इस मामले को समझने हेतु तीन पहलू हैं, एवं प्रत्येक पहलू से एक निश्चित अनुमान (assumption) जुड़ा हुआ है…

प्रकाश उपकरणों के लिए कोई मासिक बिजली बिल नहीं आता। यह एक स्वतंत्र डीसी (DC) उपकरण के लिए सच है। बैटरी का उपयोग बैकअप के रूप में किया जाता है; बाहरी उपयोग हेतु लिए गए LiFePO4 बैटरियों को आमतौर पर 5–8 साल में बदलने की आवश्यकता हो जाती है (जो जलवायु एवं डिस्चार्ज की मात्रा पर निर्भर करता है)। इसे संचालन व्यय के रूप में ही शामिल करें, न कि किसी अप्रत्याशित खर्च के रूप में।
बचत की मात्रा, एसी (AC) प्रणाली के उपयोग पर निर्भर करती है – विशेष रूप से बिजली दरों एवं तैयारी की प्रक्रिया पर। जहाँ बिजली ग्रिड सीधे पोल तक पहुँचती है एवं कोई अतिरिक्त तैयारी (जैसे खुदाई) की आवश्यकता नहीं होती, वहाँ सौर उपकरणों का लाभ दस साल से भी अधिक समय तक रहता है। जहाँ बिजली पहुँचाने हेतु 300 मीटर तक सड़क की खुदाई करनी पड़ती है, वहाँ सौर उपकरण तुरंत ही लाभदायक साबित हो जाते हैं। हालाँकि, कोई भी निर्णय लेने से पहले बिजली दरों एवं केबल मार्ग की जानकारी आवश्यक है।
उपकरणों की आयु (लाइफस्पेन) संबंधी दावों पर भी वही नियम लागू होता है। डीसी आधारित एलईडी (LED) प्रणालियाँ एसी आधारित सोडियम उपकरणों की तुलना में अधिक दीर्घायु वाली होती हैं; क्योंकि एलईडी लाइटों का नुकसान धीरे-धीरे होता है, लेकिन उनकी आयु सीमित करने वाले प्रमुख घटक “ड्राइवर” (driver) एवं “बैटरी” होते हैं – जिन्हें आसानी से बदला जा सकता है।

यह पृष्ठ क्या नहीं कवर करता?

(“What this page does not cover…”):

विभिन्न प्रकार के बिजली उपकरणों की विस्तृत तुलना।
विभिन्न परिस्थितियों में सौर एवं एसी प्रणालियों के लाभ/नुकसान का विश्लेषण।
उपकरणों की आयु संबंधी वैज्ञानिक तथ्यों का विस्तार से वर्णन।

यह पृष्ठ सड़कों एवं पार्कों में प्रयोग होने वाले प्रकाश उपकरणों (लाइटिंग सिस्टम) के रीट्रोफिट (retrofit) संबंधी जानकारियों को प्रदान करता है। इसमें ग्रिड-जुड़े पीवी इन्वर्टर (PV inverters), हाइब्रिड स्ट्रीट लाइट्स (hybrid street lights) जिनमें एसी बैकअप सिस्टम है, टेलीकम्युनिकेशन संबंधी 48 वोल्ट रेक्टिफायर प्लांट (telecom-related 48 V rectifier plants), या औद्योगिक यूपीएस (industrial UPS) के बारे में जानकारी शामिल नहीं है। किसी विशेष रीट्रोफिट परियोजना का आकार निर्धारित करने हेतु कंट्रोलर साइजिंग कैलकुलेटर का उपयोग करें; हार्डवेयर संबंधी जानकारी हेतु ऑल-इन-वन सोलर स्ट्रीट लाइट लाइन देखें। यदि आपकी साइट पर वास्तविक समस्या एसी बैकअप सिस्टम की कमी के बजाय छाया है, तो हमारा अलग पैनल इंस्टॉलेशन तरीका आमतौर पर सस्ता समाधान होगा। कंट्रोलरों के प्रकार (MPPT बनाम PWM) के बारे में जानकारी हेतु MPPT बनाम PWM: कैसे चुनें देखें।