بخشی از مقاله
چکیده - استفاده از انرژی الکتریکی برای تولید روشنایی جزء پراهمیت ترین بخش های مصرف انرژی می باشد ، جایگزین نمودن این انرژی با منابع دیگر می تواند صرفه جویی قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی الکتریکی پدید آورد، یکی از این منابع مناسب برای این کار نور طبیعی خورشید است. اما روشن کردن خیابان ها با استفاده از انرژی خورشیدی ایده ای قدیمی است ، با این حال محدودیت این سیستم های روشنایی خیابانی خورشیدی معمولی این است که فاقد عملکرد سیستم هوشمند هستند.
در این مقاله سعی شده است ضمن بهینه سازی مصرف انرژی پایه های روشنایی توسط لامپ LED، راهکارهای افزایش بهره وری و کاهش هزینه های ناشی از تعویض قطعات، تعمیر و نگهداری سیستم های روشنایی خیابانی فتوولتاییک نیز بررسی گردد. برای به حداکثر رساندن بازدهی سیستم روشنایی خیابانی و حفظ مصرف انرژی توسط سیستم، استفاده از میکروکنترلر و سنسورهای IR و PIR می باشد که امکان کنترل و کاهش نور در ساعات بعد از نیمه شب و به طبع آن کاهش مصرف برق را به دنبال دارد.
-1 مقدمه
با بررسی های بعمل آمده و آمار اعلام شده از سوی وزارت نیرو و شرکت توانیر در مهرماه 94 سهم بخش روشنایی از مجموع مصرف برق کشور 30 درصد اعلام گردیده است - 12 درصد بیشتر از میانگین جهانی - که سهم روشنایی معابر در این میان 1,9 درصد بوده است که با روند رو به رشد جوامع شهری و عمران شهری این نیاز بیش از پیش افزایش خواهد یافت. سیاست های اجرایی بخش های مسؤل در این رابطه مبنی بر کاهش مصرف این بخش از انرژی با رویکرد خاموشی ها به شیوه های مختلف نشان از عدم کنترل مورد نیاز در معابر در ساعات و شرایط استفاده کمتر توسط کاربران - ساعات بعد از نیمه شب - است.[1]
تمامی این آمار از مصرف برق در بخش معابر بدون در نظر گرفتن هزینه های نگهداری لامپ های گازی است که خود سهمی از هزینه ها به حساب می آیند. استفاده از لامپ های LED ضمن کارایی بالا نسبت به لامپ های گازی از نظر شار نوری ،کاهش توان مصرفی در بخش روشنایی عمومی را در پی خواهد داشت. سیستم روشنایی خورشیدی معمولی فاقد دستگاه تنظیم خودکار می باشد.
در این مقاله یک روش جدید برای یک سیستم اتوماتیک یکپارچه - Compact - ، بدون سیم و کابل کشی پیشنهاد شده است. در اینجا امکان کنترل و کاهش نور در ساعات بعد از نیمه شب و به طبع آن کاهش مصرف برق با استفاده از دو سنسور PIR و IR و میکروکنترلر AVR انجام می گیرد. مطابق بلوک دیاگرام پیشنهاد شده - شکل - 1 سیستم روشنایی هوشمند خورشیدی خیابانی را می توان به بخش های مدار کنترل هوشمند، لامپ های LED ، پنل خورشیدی و باتری تقسیم نمود که هر کدام به صورت جداگانه مورد بررسی قرار می گیرد.
-2 مدار کنترل هوشمند
مدار کنترل هوشمند شامل 5 بخشMCU 1 ، سنسور ، شارژکنترلر ، تثبیت کننده ولتاژ و سوئیچ MOSFET می باشد. MCU -1-2 مغز اصلی سیستم کنترلی ، یک میکروکنترلر AVR است. این مدار با استفاده از قابلیت های میکروکنترلر با پورت های ورودی و خروجی و حافظه داخلی، کلیه عملیات های سیستم شامل مدار شارژ باتری، فرمان سنسورها و سوئیچ MOSFET و همچنین ساعت سیستم را کنترل می نماید.[2]
-2-2 سنسور PIR و IR
ولت برای تغذیه LED ها و 5 ولت برای تغدیه مدار کنترلی تقسیم می شوند. تثبیت کننده ولتاژ در واقع ولتاژ واقعی مورد استفاده LEDها را تامین کرده و مدار را از نوسانات احتمالی در قسمت تغذیه محافظت می نماید. یکی از تکنیک های کاهش مصرف انرژی در لامپ ها ، کاهش زمان استفاده از آنها می باشد. برای این کار از سنسورها در سیستم مدیریت هوشمند مصرف انرژی استفاده می شود.
سنسورهای PIR و IR از طریق یک مدار واسط و یک تقویت کننده به پورت های ورودی میکروکنترلر متصل می شوند. اطلاع از میزان روشنایی محیطی جهت زمان روشن شدن لامپ از سنسور IR به مدار کنترل ارسال می گردد. در واقع سیستم تا ارسال پیام سنسور IR در حالت انتظار به سر می برد و در این زمان تنها مدار شارژ باتری در حال کار می باشد.
پس از اعلام تاریکی هوا توسط سنسور IR و روشن شدن LED ها، اطلاعات حس شده از حرکت وسایل نقلیه، انسان یا هر چیز متحرک توسط سنسور PIR پس از نیمه شب به میکرو کنترلر به منظور انتخاب شدت روشنایی مناسب نور خیابان یا محل مورد استفاده، ارسال می شود. در واقع امکان کنترل و کاهش نور در ساعات بعد از نیمه شب و به طبع آن کاهش مصرف برق را به دنبال دارد. [3]
-3-2 شارژ کنترلر
شارژکنترلر به منظور تطبیق ولتاژ پنل با ولتاژ مورد نیاز شارژ باتری و همچنین کنترل میزان دشارژ باتری جهت حفظ طول عمر و افزایش میزان بهره وری آنها به کار برده شده است. شارژکنترلرها در انواع مختلفی طراحی می گردند که از آن جمله می توان به نوع PWM و MPPT اشاره نمود. در این سیستم به علت مجتمع بودن کلبه قطعات در یک پکیج و محدودیت فضا، برای انتقال بیشترین توان از پنل به باتری از تکنولوژی MPPT استفاده شده است. در این نوع طراحی می توان با استفاده از مدار بوست شارژر و یک کنترلر از حداکثر توان تولید شده توسط پنل، با کمترین تلفات، بیشترین بهره برداری را داشت.
-4-2 تثبیت کننده ولتاژ
به منظور تثبیت ولتاژ مورد نیاز در قسمت های مختلف مدار از یک تثبیت کننده ولتاژ IC - رگولاتور - استفاده می کنیم. سطح ولتاژهای مورد استفاده در این سیستم به دو بخش 12
-5-2 سوئیچ MOSFET
استفاده از MOSFET با توجه به قدرت عبور جریان و سرعت سوئیچینگ بالای آنها صورت گرفته است . MOSFET موجود در این سیستم، عمل سوئیچ باتری و LED را توسط فرمان کنترلی میکروکنترلر انجام می دهد.
-3 لامپ های LED
آرایش و چیدمان لامپ ها با استفاده از قطعات LED قدرت2 که به شکل SMD هستند را باید با توجه به توان و نور مورد نیاز و نیز متناسب با ولتاژ کارکرد باتری ها انتخاب شوند. استفاده از اینگونه لامپ ها با مزایایی نظیر طول عمر طولانی بین 50000 تا 100000 ساعت، بهره نوری مناسب، شاخص نمود رنگ بالا، راندمان بیش از 90 درصد و ضریب وضوح رنگ در حدود 90 تا 120 لومن بر وات، بدون هزینه تعمیر و نگهداری نسبت به لامپ های بخار سدیم با طول عمری معادل 17000 ساعت و ضریب تلفاتی بین 0,5 تا 0,7 ، توان مصرفی بسیار زیاد ، استفاده از ترانس راه انداز ، هزینه نگهداری بالا به علت طول عمر پایین و قطعات مصرفی مانند ترانس، توجیه مناسبی در استفاده از این گونه لامپ ها در سیستم های خورشیدی می باشد .[4]
-4 پنل خورشیدی
پنل خورشیدی به عنوان مبدل نور خورشید به انرژی الکتریکی بر اساس میزان تابش نور خورشید و توان تولیدی کار می کند و با جریانها و ولتاژ های مختلف قابل تهیه است. پنل مورد استفاده در این سیستم روشنایی از جنس پلی کریستال انتخاب شده است. پنل خورشیدی پلی کریستال به علت ثبات راندمان در هر شرایط آب و هوایی بخصوص در مناطق گرمسیر گزینه مناسب تری نسبت به پنل مونو کریستال می باشد.[5]
-5 باتری
باتری ها انرژی الکتریکی را به صورت شیمیایی در خود ذخیره می کنند. در سامانه های فتوولتاییک باتری ها وظیفه پشتیبانی در طول شب و روزهای ابری را به عهده دارند. از آنجا که توان خروجی صفحات خورشیدی در طول روز متغیر می باشد ، یک باتری ذخیره کننده می تواند یک منبع نسبتا ثابت برای تولید توان باشد تا تغییرات نور تابیده شده به صفحات را جبران کند.
باتری های مورد استفاده در سیستم های خورشیدی به علت استفاده مداوم روزانه از آنها در درجه اول باید دارای طول عمر بالا باشند و همچنین قابلیت دشارژ تا ظرفیت نامی را داشته باشند. استفاده از باتری های لیتیوم - یونی در این سیستم ها به علت طول عمر بالا، وزن و حجم کم نسبت به سایر باتری ها، قابلیت پکیج شدن بدون نیاز به تعمیر و نگهداری و قابلیت شارژ و دشارژ زیاد می باشند.
برق گرفتگی و اتصال کوتاه مدارات برقی و یا هزینه های خرید انواع ژنراتور و عملیات حمل و نقل آن، تعمیرات و نگهداری و عملیاتی و تدارکاتی می باشد - شکل. - 3 حال آنکه سیستم های روشنایی موجود معمولا از سه قسمت کاملا مجزا شامل باتری اسیدی، پنل خورشیدی و لامپ تشکیل گردیده است که علاوه بر نیاز به سیم کشی خارجی و آسیب پذیر و عمر کوتاه باتری اسیدی، نیاز به تعمیر و نگهداری دوره ای دارند.
وزن سنگین و نیز امکان سرقت باتری ها به دلیل قرار دادن آنها در زیر زمین یا تابلو از دیگر مشکلات آنها به شمار می روند - شکل. [6] - 2 لذا تفکر قرار دادن تمام قطعات بصورت یکپارچه و متراکم، در حجم و وزن بسیار کمتر، با استفاده از انرژی خورشیدی، مدیریت مصرف در تامین روشنائی و استفاده از سنسور حرکتی جهت ذخیره سازی بیشترانرژی در زمان مصرف، از موارد نوآوری این سیستم روشنایی می باشد.
-6 مقایسه سیستم های روشنایی موجود با سیستم روشنایی پیشنهاد شده
موضوع اصلی این مقاله توسعه سیستم های روشنایی خیابانی یکپارچه و مستقل با استفاده از کنترل هوشمند الکترونیک و بدون کابل با استفاده از انرژی خورشیدی می باشد. استفاده از این سیستم ها جهت محیط های باز بدون هیچ هزینه ی طراحی و مهندسی سیستم روشنایی، خرید انواع کابل یا انجام عملیات کابل کشی زیر زمینی یا هوایی، حفر و پوشش کانال کابلهای مربوطه، خرید سیستم چراغ، اتصالات برقی، ساپورت، سینی و نرده کابل یا لوله های محافظ کابل، کلید، ترانس، تابلوهای برق و یا هرگونه ارتباطات برقی مربوطه و سیستم سوئیچینگ و در نتیجه کمتر شدن بار کل مصارف الکتریکی پروژه، تعویض لامپهای مصرفی و بدون خطرات معمول و شایع.
