Konwersja z prądu zmiennego (AC) na prąd stały (DC) w celach oświetlenia ulicznego: Przewodnik inżynieryjny

Co dokładnie obejmuje proces konwersji

Obwód ulicznego zasilany prądem zmiennym składa się z trzech elementów: źródła zasilania z sieci, układu sterującego (drivera lub balastu) oraz oprawki świetlnej. Obwód zasilany prądem stałym z pomocą paneli słonecznych zastępuje wszystkie te elementy. Panel słoneczny generuje prąd stały bezpośrednio; kontroler ładowania reguluje przepływ energii do akumulatora typu LiFePO4 (lithium iron phosphate). Ten typ akumulatora jest wyjątkowo odporny na cykliczne zmiany stanu ładowania i utrzymuje dużo dłużej swoją pojemność w porównaniu z akumulatorami typu lead-acid. Oprawka świetlna pobiera energię z akumulatora. W całym tym procesie nie jest konieczne użycie prostownika.

Opis na oryginalnej stronie dotyczący elementów naprawiających i filtrujących prąd pokazuje, jak działają zasilacze typu AC/DC zasilane z sieci elektrycznej. Te elementy hardware mają tylko jedną rolę w systemach oświetlenia: zasilają urządzenia wymagające prądu stałego (DC), takie jak kamery monitoringu, ekrany wyświetlające informacje lub moduły komunikacyjne, bez konieczności użycia baterii. Jeśli to jest twoje przypadanie, potrzebny jest właśnie naprawiający prąd (rectifier), a nie system solarny.

Cztery problemy, które motywują te modernizacje

Większość żądań dotyczących modernizacji pochodzi z jednego z czterech problemów występujących w obecnym układzie zasilania typu AC. Te problemy nie mają jednak identycznego stopnia poważności, więc warto je uporządkować, zanim wydać pieniądze na ich rozwiązanie:

– Starzejące oprawy oświetleniowe i słabym jasnym świetle: Stare oprawy na bazie sodu pod wysokim naciskiem lub pierwszej generacji diod LED nie spełniają obecnych standardów jakości oświetlenia. Można poprawić jasność światła za pomocą opraw LED z zasilaniem stałym (DC), ale pierwszym krokiem powinno być dokonanie obliczeń dotyczących wymagań oświetlenia według norm (EN 13201 w Europie, IES w Ameryce Północnej) przed zamówieniem nowego sprzętu. – Złożone, niew dokumentowane układy elektryczne: Jeśli instalacje zostały przygotowane przez różnych wykonawców w różnych latach, wykrywanie awarii często kosztuje więcej niż oszczędzenie energii, które te układy mogłyby zapewnić. Autonomiczne układy solarne eliminują konieczność stosowania złożonych połączeń elektrycznych – awaria jednego elementu nie wpływa na działanie całego systemu. – Częste wymienianie żarówek: Różne modele żarówek oraz niekompatybilne sterowniki utrudniają proces wymieniania żarówek (który normalnie trwa około 20 minut). Standardyzacja na jednej serii opraw LED z dopasowanymi sterownikami rozwiązuje ten problem. Jest to rozwiązanie związane z procedurami zakupów, a nie z samą technologią. – Sterowanie czasowe lub ręczne: U wszystkich opraw LED z zasilaniem stałym włączone są funkcje sterowania na podstawie światła lub czasu. To chyba najmniejszy z wymienionych problemów, ale nie powinien być jedynym powodem do wprowadzenia zmian w systemie oświetlenia.

W jakich przypadkach konwersja na zasilanie solarne jest możliwa, a w jakich nie?

Pierwszą informacją, którą wymagamy przy badaniu potrzeb modernizacji, są dane dotyczące stanu słupów (w tym zdjęcia pokazujące ich zacienienie) oraz informacje o taryfach na usługi energetyczne. Na podstawie tych dwóch elementów sporządzamy obliczenia dotyczące potrzeb oświetlenia i autonomiczności systemu zasilania. Do podejmowania decyzji używamy następującej tabeli:

Kryterium	Możliwość konwersji na zasilanie solarne w formie prądu stałego	Początek z użyciem zasilania w formie prądu zmiennego
Dojście do sieci energetycznej	Brak dostępu do sieci lub koszty jej instalacji stanowią dominujący element kosztów projektu	Dojście do sieci jest możliwe, a taryfa na energię jest niska
Zacienienie na słupach	Problem można złagodzić lub rozwiązać poprzez montaż paneli solarnych na odległych miejscach	Silne zacienienie – należy najpierw rozwiązać ten problem (patrz nasz przewodnik dotyczący zacienienia: /solutions-shaded-areas-solution)
Stan słupów	Słupy są w dobrym stanie lub można je ponownie wykorzystać po sprawdzeniu ich nośności	Słupy są w stanie wykorzystania; w obu przypadkach konieczne jest wyposażenie w nowe słupy
Poziom oświetlenia	Pożądany poziom oświetlenia można uzyskać za pomocą lamp o mocy 20–100 W w formie prądu stałego	Konieczne jest użycie lamp na wysokich masztach lub na bardzo szerokich drogach, gdyż w takich przypadkach rozwiązania zasilania w formie prądu stałego nie są ekonomicznie opłacalne

Strona internetowa, która już posiada instalację klimatyzacji, słupki do montażu nagłośników oraz niskie koszty energii, nadal może być poddana modernizacji – poprzez zastąpienie starych opraw oświetleniowych nowymi, lepszymi modelami, a nie poprzez instalację systemów solarnych. Taka decyzja może kosztować nas zamówienia na tej stronie, ale ochroni klienta przed koniecznością co dziesięć lat wymieniania baterii.

Typowe parametry systemów oświetleniowych zasilanych bezpośrednio z akumulatora (DC)

Uwzględnione poniżej wartości stanowią typowe granice naszej oferty produktowej, ale nie są to oficjalne ceny. Ostateczna wielkość elementów potrzebnych do realizacji projektu jest ustalana na podstawie obliczeń dotyczących wymagań oświetlenia i autonomii systemu:

Parametr	Typowe wartości	Uwagi
Napięcie systemu	12 V lub 24 V DC	Preferowane napięcie 24 V dla odległości przekraczających 15 metrów lub obciążeń przekraczających 60 W
Moc opraw LED	20–60 W (dla ścieżek), 30–100 W (dla dróg)	Wartość ustalana na podstawie obliczeń, a nie według mocy starych lamp
Moduły fotowoltowe	60–150 W (typu „wszechwzględnego”); 100–400 W (typu rozdzielonego)	Systemy typu „rozdzielonego” umożliwiają umieszczenie paneli w miejscach bez cienia
Akumulator	30–100 Ah typu LiFePO4 przy napięciu 12 V	Wymiar akumulatora zapewnia dostępność energii na 3–5 nocей w warunkach braku słońca przy obciążeniu projektowanym
Kontroler ładowania	Typu MPPT, z przepustowością 10–20 A	Kontroler typu MPPT się opłaca, jeśli napięcie maksymalne na panelu (Vmp) przewyższa napięcie akumulatora

Zasada spadu napięcia, która jest pominięta na oryginalnej stronie Na oryginalnym tekście twierdzi się, że transmisja prądu stałego (DC) ma mniejsze straty energii niż transmisja prądu zmiennego (AC). Na poziomie słupów energetycznych to jest prawda – obwód z prądem stałym nie zawiera transformatorów ani innych elementów powodujących straty energii – ale ta twierdzenie jest poddana określonym warunkom, o których w oryginalnym tekście nie mowa: przy napięciu 12 V prąd jest duży, a straty energii spowodowane oporem miedzi rosną w zależności od kwadratu prądu. Obciążenie o mocy 60 W przy napięciu 12 V zużywa prąd o wielkości 5 A. Jeśli ten prąd będzie przeprowadzany przez kabel o mniejszym przekroju (np. 4 mm²) na odległości 30 m, jasność oświetlenia znacząco się zmniejszy.

Przykład obliczeniowy: Prąd 5 A przepływający przez kabel o przekroju 4 mm² na odległości 30 m (cały obwód ma długość 60 m) powoduje spad napięcia na poziomie około 1,3 V, co stanowi około 11% wartości początkowego napięcia (12 V). Taka wartość może doprowadzić do przekroczenia granic wydajności elementów oświetleniowych (np. diod LED).

Zasady, które stosujemy przy każdym wyliczeniu: Podczas analizy energetycznych systemów oświetleniowych zawsze uwzględniamy wszystkie możliwe faktory wpływające na efektywność ich działania, w tym również spad napięcia.

1. Zadbaj o to, aby odległości między elementami systemu elektrycznego wynosiły mniej więcej 15 metrów; w przeciwnym przypadku zastąp obwody z napięciem 12 V obwodami z napięciem 24 V.
2. Oblicz spad napięcia na podstawie rzeczywistego rozkładu instalacji kabliów, zanim dokonaz zamówienia kabliów – nie po ich przyjęciu.
3. W przypadku długich odcinków kabliów używaj technologii MPPT (Maximum Power Point Tracking): dzięki temu panele mogą pracować przy wyższym napięciu, a prąd jest zmniejszony w momencie dotarcia do akumulatora. Nasz kalkulator do wyboru odpowiedniego kontrolera wykona te obliczenia dla danej konfiguracji (panelu, akumulatora i długości odcinka kabliów).

Gdy faktycznie potrzebny jest inwerter (z zasilania DC na AC)

Niektóre modernizacje wymagają zasilania w formie prądu zmiennego (AC) w miejscu montażu elementów systemu: np. kamery, ekranów lub sensorów wyposażonych w adaptery do zasilania w AC. W takich przypadkach konieczne jest dodanie inwertera pomiędzy akumulatorem a odbiornikiem, który dostosowuje częstotę i napięcie wyjściowego prądu. Trzy zasady stosowane przy budowie takich systemów:

– Czysta fala sinusoidalna dla zastosowań elektronicznych: Inwertery typu „modified-square” mogą powodować problemy z działaniem niektórych elementów elektronicznych oraz zasilaczy typu „switch-mode”. – Bazowanie wymiarów inwertera na obciążeniu ciągłym, a nie na maksymalnym: Inwerter wyposażony w zabezpieczenia przeciw nagłym wzrostom obciążenia to marnotrawstwo pieniędzy, gdy takich nagłych wzrostów w ogóle nie występuje. – Uwzględnijć obciążenie w stanie bez pracy: Inwerter o mocy 200 W, spalający 5–10 W w trybie bez obciążenia, może w ciągu nocy wyczerpać małą baterię. W autonomicznym systemie, gdzie miejsce jest ograniczone, takie obciążenie może decydować o długości czasu działania systemu (3 noce w porównaniu z 4 nocami).

Prawdziwy atut zasilania sieciowego (AC): Możliwość przesyłania energii na duże odległości przy wysokim napięciu – co nie ma znaczenia w przypadku zasilania z jednego słupa. Gdy istnieje stabilna sieć elektryczna, bezpośrednie podłączenie sprzętu do niej jest lepszym rozwiązaniem niż dodatkowe straty spowodowane pracą inwertera w połączeniu z stratami powodowanymi podróżowaniem energii między baterią a źródłem zasilania.

Szczera analiza ekonomiczna: Aby omówić zalety i wady zasilania sieciowego, należy uwzględnić kilka aspektów: – Każdy scenariusz działania inwertera zakłada inne wymagania i koszty: Inwertery różnią się parametrami i mogą mieć różne wpływy na efektywność systemu. – Warto uwzględnić również koszty eksploatacji: Marnotrawstwo energii w stanie bez pracy może być znaczące, szczególnie w małych systemach autonomicznych. – Rozwiązania zasilania alternatywne (np. baterie) mogą mieć swoje ograniczenia: Ich wydajność zależy od wielu czynników, w tym od rodzaju energii i sposobu jej magazynowania.

W sumie, wybór rodzaju zasilania zależy od konkretnych wymagań systemu i dostępnych rozwiązań.

– Nie ma miesięcznego rachunku za energię elektryczną na oświetlenie. Jest tak w przypadku niezależnych urządzeń zasilanych prądem stałym (DC). Dodatkowa bateria służy jako zamiennik w razie awarii; baterie typu LiFePO4, przeznaczone do zastosowania na zewnątrz, zwykle wymagają wymienienia po 5–8 latach, zależnie od klimatu i stopnia rozładowania. Trzeba uwzględnić to jako koszt eksploatacji, a nie jako niespodziankę. – Oszczędności uzyskane dzięki zamienniu systemu AC na system zasilany prądem stałym zależą od stawek cenowych i kosztów realizacji instalacji. Jeśli energia z sieci jest dostępna bez konieczności wykonywania prac ziemnych, zwrot inwestycji może trwać ponad dziesięć lat. Jeśli natomiast konieczne jest wykonywanie prac ziemnych na odcinku drogi o długości 300 metrów, system solarny jest wyraźnie bardziej konkurencyjny. Żadne z tych wyliczeń nie może być dokonane bez dostępnych informacji o stawkach cenowych i trasie przeprowadzenia kabli. – Twierdzenia dotyczące trwałości urządzeń należy oceniać z ostrożnością. Systemy LED zasilane prądem stałym są wytrzymalsze od tradycyjnych lamp na bazie sodu, ponieważ diody LED degenerują powoli, ale ograniczające ich żywotność elementy to układ sterujący i bateria – oba te elementy można zastąpić, w odróżnieniu od hermetycznie zamkniętych części lamp.

Ta strona dotyczy architektury systemów oświetlenia drogowego i parkowego w kontekście modernizacji istniejących instalacji. Nie obejmuje tematów takich jak inwertery fotowoltaniczne połączone z siecią elektryczną, lampy uliczne hybrydowe z zasilaniem awaryjnym w formie prądu zmiennego, urządzenia do przetwarzania napięcia 48 V w celach telekomunikacyjnych ani zasilacze bezprzerwowe (UPS) przeznaczone do zastosowań przemysłowych. Aby obliczyć wymagania dotyczące konkretnych elementów systemu oświetleniowych, skorzystaj z kalkulatora do wyboru odpowiedniego kontrolera; jeśli chcesz zapoznać się z dostępnym sprzętem, sprawdź linię produktów lamp ulicznych na bazie energii słonecznej typu „wszystko w jednym”(/all-in-one-solar-street-light). Jeśli prawdziwym problemem na Twoim obszarze jest zacienienie, a nie brak zasilania w formie prądu zmiennego, nasz [metod instalacji paneli słonecznych jest zwykle rozwiązaniem bardziej ekonomicznym. Dodatkowe informacje na temat różnic pomiędzy technologiami MPPT a PWM w kontekście wyboru kontrolera znajdziesz w artykule MPPT vs PWM: jak dokonać wyboru.