Słoneczne latarnie uliczne w erze AI: co one mogą zasilać?

Budżet energetyczny latarni

Zacznijmy od tego, ile energii faktycznie generuje typowa latarnia. Panel o mocy 300 W, działający w warunkach 3,5–5 godzin maksymalnego nasłonecznego oświetlenia, produkuje około 1,0–1,5 kWh energii na dzień (przed uwzględnieniem strat). Po przerobieniu energii przez kontroler, akumulator oraz połączenia elektryczne, ilość dostępnej energii spada do 0,8–1,2 kWh (to typowe wartości dla instalacji komercyjnych w średnich szerokościach geograficznych; warunki pogodowe na miejscu mogą się różnić).

Sama światłość to pierwszy element, który wykorzystuje ten budżet. Oświetlacz o mocy 100 W, pracujący przez 11 godzin, zużywa około 1,1 kWh energii – to dokładnie cała ilość energii uzyskiwana w ciągu dnia. Dlatego każde poważne solarne oświetlenie uliczne ma możliwość regulacji jasności: maksymalna intensywność światła w pierwszych godzinach po zachodzie słońca, zmniejszona ilość światła w nocy, a dodatkowa poprawa jasności przed świtem. Taka regulacja nie służy wyłącznie efektywnością; to właśnie umożliwia zachowanie bilansu energetycznego.

Resztka energii, przeznaczona dla innych elementów (kamer, sensorów, kontrolerów, systemów komunikacyjnych), stanowi „marginalność” wynikającą z tej regulacji; w dobrze zaprojektowanym systemie ta ilość energii może wynosić 20–40% całkowitej ilości uzyskanej w ciągu dnia. To warto pamiętać, gdy w ofercie zamówienia wymagается, aby jeden słoneczny słup obsługiwał również kamerę 4G, sensor jakości powietrza oraz punkt dostępu do sieci Wi-Fi.

Co „AI” w oświetleniu ulicznym oznacza w rzeczywistości dzisiaj?

Jeśli odjąć wszystkie elementy marketingowe, to „inteligencja” zawarta w solarnym oświetleniu ulicznym polega na działaniu mikrokontrolera, który wykonywa trzy zadania:

1. Programy zmniejszania intensywności światła: Profilowanie działania opraw świetlnych, zależne od upływu czasu lub poziomu oświetlenia otoczenia, które zmniejszają wydajność światła w momencie, gdy nikogo nie ma w pobliżu. To najważniejszy element systemu zmniejszającego zużywanie energii.
2. Dziennikowanie ruchu i obecności: Detektory typu PIR (pasywny podczerwony) lub radar wykrywają przybliżanie się osób lub pojazdów i zwiększają intensywność światła w tych przypadkach. Radar radzi sobie znacznie lepiej z wolnym ruchem i trudnymi warunkami pogodowymi niż detektor PIR; dlatego w obszarach o otwartym terenie używamy radaru, a detektor PIR zamiast tego w krótszych, zacienionych odcinkach.
3. Dziennikowanie zdalne i ostrzegawcze sygnały o awariach: Kontroler przekazuje informacje o poziomie naładowania baterii, prądzie zasilania oraz awariach opraw świetlnych za pomocą technologii LoRa, 4G lub NB-IoT. Gdy światło gaśnie, menadżer obiektu dowiaduje się o tym wcześniej, niż nadejdzie pierwszy zgłoszenie od użytkowników.

Żaden z tych elementów nie stanowi przykładu wykorzystania sztucznej inteligencji w rozumieniu tradycyjnym tego pojęcia. Są to zwykłe systemy sterowania z możliwością komunikacji, które faktycznie działają skutecznie. Ważne jest precyzyzne opisanie ich funkcji, ponieważ nadmiernie promowane rozwiązania bazujące na „AI” mogą tworzyć oczekiwania, które sprzęt nie jest w stanie spełnić.

Jakim sposobem oprawa świetlna może rzeczywiście przynieść korzyści poza aspektem oświetlenia…

Koncepcja rozprostowanej energii ma swoje rzeczywiste zalety, ale w ograniczonych ramach. Kamery monitoringu typu 4G zużywają od 15 do 30 W energii; w ciągu 24 godzin to 360–720 Wh, co może zostać pokryte przez dobrze zaprojektowaną stację energetyczną z możliwością regulacji poziomu oświetlenia. Sensory środowiskowe (związane z ilością cząsteczek, hałasem, temperaturą) zużywają zaledwie kilka wat energii, więc stanowią nieznaczną obciążenie. Małe ekrany i punkty umożliwiające wezwanie pomocy w nagłych sytuacjach również należą do tej kategorii.

Co natomiast nie pasuje do tego modelu rozprostowanej energii, to obliczenia wykonywane za pomocą sztucznej inteligencji (AI). Serwery z procesorami GPU, montowane na stacjach energetycznych, zużywają dużo energii (często nawet setki wat) w ciągu dnia. W przypadku budżetu na energię słoneczną wynoszącego 1 kWh takie rozwiązania nie są realistyczne; wymagają połączenia z sieci elektryczną lub dużych paneli słonecznych, dużo większych od tych używanych w standardowych lampach ulicznych. Gdy widzimy oferty na projekty z wykorzystaniem AI, pierwsze pytanie, które postawiamy, to to, na czym rzeczywiście będzie pracować ta sztuczna inteligencja – odpowiedź zwykle brzmi „na połączeniu z siecią”.

W jakich przypadkach sztuczna inteligencja rzeczywiście pomaga w działaniu systemów solarnych?

Znacznie ciekawszym przykładem jest wykorzystanie sztucznej inteligencji do poprawy samej lampy ulicznej – poprzez zdobywanie informacji o środowisku i przewidywania jej potrzeb w zakresie oświetlenia.

Przewidywanie awarii: Kurwy prądu podczas ładowania oraz poziomu naładowania baterii zmieniają się w rozpoznawalnych wzorcach przed tym, jak bateria lub panel ulegną awarii. Kontroler, który ostrzega, że „pojemność baterii spadła o 15% w ciągu sześciu miesięcy”, umożliwia zaplanowanie wymienienia baterii w ustalonym terminie. Adaptatywne sterowanie jasności na podstawie prognoz pogodowych: Dane z prognozy na jutro są wprowadzane do systemu sterującego jasnością, dzięki czemu system gromadzi energię przed okresem chmurności, zamiast odkrywać jej brak o północy. Monitorowanie wydajności paneli: Porównywanie faktycznej wydajności paneli z prognozowaną na podstawie poziomu oświetlenia na danym obszarze umożliwia wykrycie problemów, takich jak zanieczyszczenia, zasłony spowodowane rosnącym drzewem lub degradacja elementów paneli, nawet kilka miesięcy przed tym, jak bateria to poczuje.

To są drobne, ale istotne ulepszenia – według naszej eksperienции dostępność urządzeń wzrosła o 5–15%, a nie dwukrotnie. To właśnie kupują klienty instytucjonalni: światło, które pracuje 350 nocей w roku, przewyższa jakością światło, które pracuje 300 nocей.

Szczere trudności

Trzy problemy przeszkadzają temu, aby ten rozwój nastąpił tak szybko, jak zakładano:

koszty integracji: Każdy dodany element to dodatkowy element konstrukcji, dodatkowy obowiązek dotyczący zasobów energetycznych oraz dodatkowy punkt ryzyka (możliwość awarii), co powoduje wyższe koszty serwisowania. Sam proces projektowania jest względnie prosty, natomiast spis materiałów potrzebnych do realizacji projektu nie jest tak jasny i dokładny. Problem zmagazynowaniem energii: Produkcja energii słonecznej zależy od warunków pogodowych i jest rozprostrowana w czasie. Baterie się poprawiły, ale gęstość energii, żywot cykliczny oraz wydajność w niskich temperaturach wciąż ograniczają możliwości systemów solarnych w trudnych warunkach pogodowych (np. w chmurzystych dniach). Kontrola kosztów: Dodawanie nowych elementów do systemów powiększa ich złożoność, a zakupy przez urzędy miejskie są często opierają się na kryterium całokowitych kosztów ich eksploatacji. Systemy, które odnoszą sukces, to te, w których monitorowanie działania systemu samodzielnie pokrywa koszty (np. poprzez uniknięcie konieczności częstych interwencji technicznych), a nie te, które wykorzystują największą liczbę sensorów.

Co na tej stronie nie jest uwzględnione:

Ta strona dotyczy fotowoltanicznych systemów montowanych na słupach jako źródła energii dla oświetlenia oraz małych urządzeń w ramach projektów „smart cities”. Nie obejmuje architektur słupów połączonych z siecią elektryczną, integracji systemów doładowania elektrycznych aut ani rozwiązań typu „solar-plus-storage” w skali dużych instalacji – każdy z tych przypadków wymaga innych rozwiązań inżynieryjnych i ekonomicznych. Aby sprawdzić, jak dużą moc może przenosić konkretny słup, użyj naszego narzędzia do projektowania oświetlenia lub zapoznaj się z informacjami na temat sposobów wbudowania funkcji inteligentnego sterowania w kontrolery oświetlenia (patrz przewodnik po inteligentnych kontrolerach oświetlenia). W przypadku kompletnych systemów nasze uliczne lampy solarne typu „all-in-one są wyposażone w standardowe profile regulacji jasności oraz systemy monitoringu.