بخشی از مقاله
چکیده - اخیرا درکشور ایران استفاده از سیستم های فتوولتائیک جهت روشنایی معابر در حال گسترش می باشد. سیستم های روشنایی فتوولتائیک به دلیل عدم نیاز به کابل کشی و دسترسی به منبع تامین کننده انرژی الکتریسیته، محدودیت نصب نداشته و از آنها در شرایط مختلف جغرافیایی نظیر کوه، دریا، جنگل، مناطق جاده ای و شهری و غیره می توان استفاده نمود. با استفاده از این سیستمها در روشنایی معابر می توان گامی بلند در راستای اصلاح الگوی مصرف برداشت. در این مقاله روشی نوین با استفاده از میکروکنترلرها برای صرفه جویی انرژی و نیز کاهش هزینه های اولیه نصب با حذف فتوسل در سیستم های خورشیدی و قابلیت زمانبندی آن ارائه شده است.
-1 مقدمه
زندگی انسان از ابتدای خلقت پیوسته وابسته به انواع انرژی بوده است و با گذشت زمان این وابستگی نه تنها کاهش نیافته بلکه با روند چشمگیری رو به افزایش است و در حال حاضر همگان به دنبال یافتن راه هایی هستند که بتوان پاسخگوی رشد فزاینده تقاضای انرژی باشند. منبع انرژی خورشید مطمئن ترین انرژی است که از هزاران سال قبل وجود داشته و به عنوان یک منبع تجدید پذیر مورد استفاده قرار می گیرد. [1] جست و جو برای رسیدن به منبع انرژی با ثبات یکی از پر اهمیت ترین موضوعات تحقیق دانشمندان و محققان است.
انرژی فتوولتائیک در سالهای اخیر بعنوان یک منبع انرژی مطمئن، پاک و نامحدود مورد استفاده قرار گرفته است[7] هزینه بالای راه اندازی اولیه و نیز راندمان پایین تبدیل انرژی از جمله معایب استفاده از سیستم های فتوولتائیک می باشد. برای کاهش معایب فوق تلاش های بسیاری انجام شده و در حال انجام است[1]پیشرفت ها در این زمینه به حدی رسیده است که می توان انرژی تولیدی از این پنل ها را به شبکه سراسری انتقال داد.
در شکل 1 سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه نشان داده شده است.[2] پیشرفت ها باعث افزایش کارایی و بهره وری این نوع سیستم ها شده است.[5] دلیل عمده استفاده از این نوع سیستم ها قابلیت عدم نیاز به شبکه سراسری و در نتیجه امکان راه اندازی در هر مکانی می باشد. [9] اما حساسیت این سیستم ها به نور خورشید و شرایط آب و هوایی، باعث کاهش کارایی این سیستم ها می شود. [3]
در این مقاله به بررسی سیستم های روشنایی فتوولتائیک امروزی و کاربرد آنها در روشنایی معابر و همچنین ارائه یک سیستم روشنایی معابر جدید بر مبنای سیستم فتوولتاییک پرداخته شده است. ساختار مقاله پیش رو به شرح ذیل می باشد: در بخش دوم به معرفی سیستم های فوتو ولتاییک پرداخته شده است. در بخش سوم ساختار و انواع فتوسل ها و همچنین مقایسه آنها صورت گرفته شده است. معرفی مدار الکتریکی پیشنهادی و جایگزین فتوسل در بخش چهارم آورده شده است. در بخش پنجم نمونه ازمایشگاهی مدار طراحی شده معرفی گردیده. در بخش ششم مقایسه طرح پیشنهادی با طرح های قدیمی صورت گرفته است .و در انتها در بخش ششم نتایج اورده شده است.
-2 سیستم های فتوولتائیک
از آنجا که منابع سوخت های فسیلی تجدید ناپذیر است بنابراین بایستی از انرژی های نو و تجدید پذیر که به رغم منابع فسیلی از مزایایی چون فراوانی و تجدید پذیر بودن برخوردار می باشند استفاده نمود. یکی از محدودیت های عمده در استفاده از انرژی خورشیدی عدم کارایی اقتصادی سیستم های خورشیدی اولیه در برابر سیستم های تکامل یافته با سوخت فسیلی است که با افزایش قیمت سوخت های معمولی و اقتصادی تر کردن سیستم های فتوولتائیک با حجم تولید بیشتر گرایش به استفاده از اینگونه انرژی را می توان سرعت بخشید.
در کنار محدودیت های اقتصادی لازم است انرژی خورشیدی و مزیت های استفاده از آنها را با آموزش در محتوای فرهنگی زندگی مردم و به منظور ارتقای سطح آگاهی آنان وارد ساخت که به سرمایه گذاری و توجه دولت به بخش خصوصی نیاز دارد. استفاده از سیستم های فتوولتائیک دارای مزایایی چون عدم نیاز به شبکه سراسری ، عدم نیاز به حفاری و کابل اندازی ، نصب و راه اندازی در مدت زمان کوتاه و سازگاری با محیط زیست می باشد. البته استفاده از سیستم های فتوولتاییک مشکلاتی از قبیل هزینه سرمایه گذاری بالا ، وابستگی به تغییرات تابش خورشیدی در طی روز و ماه های مختلف و... هم دارند.
اولین گام در استفاده از یک منبع مناسب به منظور استفاده از مدیریت انرژی فعال، تعیین قالب کاری با انتخاب پنل خورشیدی و ولتاژ باطری که مورد نیاز است، می باشد. پنل و باتری باید با هم سازگار باشند. یکی از مهم ترین موضوع هایی که باید مورد توجه قرار بگیرد، جریانی است که توسط پنل خورشیدی تولید می شود و همچنین میزان مورد نیاز ذخیره انرژی در باطری برحسب آمپر ساعت می باشد .
پنل های خوشیدی به طور عمومی باید تمام انرژی که سیستم در حالت فعال بودن نیاز دارد را تامین کند، که این انرژی شامل جریان شارژ شدن باتری است. برای بدست آوردن ولتاژ و جریان مورد نظر، سلول ها را با آرایش های مختلف به هم متصل کرده و بصورت ماژول در می آورند. ماژول ها روی یک صفحه یا قاب فلزی - معمولا آلومینیومی - نصب شده و پنل یا صفحه فتوولتائیک را تشکیل می دهند.[1]
-3 فتوسل
فتوسل ها تجهیزاتی هستند که وظیفه دارند تا با کاهش روشنایی از یکحد استاندارد، یا در بعضی از مدلها به وسیله یک برنامه کامپیوتری، یک لامپ یا هر وسیله برقی را خاموش و روشن کنند. فتوسل وسیلهای است که نسبت به نور حساس بوده و با برخورد شعاعهای نوری با صفحه آن از خود ولتاژی تولید میکند و از تولید این ولتاژ میتوان رلهای را بکار انداخت که مداری را قطع یا وصل کند. طرز کار کلید فتوسل بدین صورت است که وقتی روز است، فتوسل ولتاژی را تولید میکند که این ولتاژ تولیدی به رلهای فرمان میدهد که مدار روشنایی معابر را قطع کند.
با تاریک شدن هوا چون نوری وجود ندارد، فتوسل دیگر ولتاژی تولید نمیکند و جریانی به رله نمیرسد که دستور قطع لامپهای معابر را بدهد، در نتیجه لامپهای معابر روشن میشود. لازم به تذکر است که فتوسل را در مراکز برق نصب میکنند و همراه آن یک تقویت کننده وجود دارد که تغییرات جریان در اثر نور تقویت میکند و رله بکار میاندازد. فتوسل های مورد استفاده در برق ساختمان دارای دو نوع کلی می باشند که در ادامه به آنها پرداخته شده است.
-1-3 فتوسل معمولی
اسم این دستگاه در واقع ساعت نجومی است ولی گاهاً به آن فتوسل نجومی هم می گویند. این دستگاه ها نیاز به دریافت نور ندارد و با یک برنامه کامپیوتری طلوع و غروب خورشید را به صورت دقیق تشخیص داده و لامپ ها را خاموش و روشن می کند. در بعضی از مدل ها حتی می توان کوتاه و بلند شدن روزها در زمستان و تابستان را هم تنظیم کرد تا در مصرف برق صرفه جویی شود. در شکل 3 طریقه اتصال این نوع فتوسل ها در مدار نمایش داده شده است.[1]
-2-3 معایب استفاده از فتوسل در سیستم های روشنایی
دلایل زیادی برای عدم استفاده از فتوسل و جایگزین کردن سیستمی دیگر با قابلیت بالاتر وجود دارد که از مهمترین دلایل می توان به عدم قابلیت برنامه ریزی، سوییچ زنی برای روشن کردن لامپ ها قبل از تاریک شدن هوا - حدود 15 دقیقه قبل از غروب آفتاب - ، روشن ماندن سیستم روشنایی در ساعات پایانی نیمه شب که نیازی به روشنایی نیست زیرا عبور و مرور چندانی در کوچه و خیابان های فرعی وجود ندارد، خاموش نشدن سیستم روشنایی در سپیده دم که نور خورشید به اندازه کافی وجود دارد و نیازی به روشنایی سیستم روشنایی نیست، نگهداری و طول عمر محدود و دلیل دیگر که اهمیت بیشتری در سیستم های روشنایی فتوولتائیک دارد هزینه اولیه فتوسل است.[1]
با توجه به معایب موجود در استفاده از فتوسل و بخصوص در سیستم های فتوولتائیک باعث پیشنهاد یک جایگزین با قابلیت برنامه ریزی، هزینه راه اندازی کمتر، طول عمر بیشتر و نیز هزینه نگهداری خیلی کمتر، شد. پس از تحقیق در این زمینه و مقایسه عملکرد های سیستم ها در شرایط مختلف نتیجتا مشخص گردید که با طراحی یک مدار و قرار دادن در سیستم های فتوولتائیک می توان تا حدود زیادی این معایب را کاهش داده و باعث افزایش راندمان این سیستم ها و در کل کاهش هزینه ها و صرفه جویی در مصرف انرژی شود.
-4 مدار پیشنهادی
با ورود ولتاژ از صفحه خورشیدی به مدار و تا زمانی که مقدار آن به ولتاژ مورد نظر برسد هیچ اتفاقی نخواهد افتاد. با رسیدن ولتاژ ورودی به مقدار مورد نظر و یا مقدار بیشتر، میکروکنترلر طبق برنامه ای که از پیش در آن در نظر گرفته شده است، به اجزای دستورات می پردازد. ابتدا میکروکنترلر به جداساز نوری دستور می دهد و با برقراری اتصال درونی جداساز نوری، فرمان به رله می رسد و رله دستور قطع اتصال را اجرا می نماید و جریان ورودی به چراغ قطع می شود.
این عمل تا زمانی که ولتاژ ورودی بیش از ولتاژ مورد نظر باشد همچنان ادامه خواهد داشت و جریان ورودی به سیستم روشنایی قطع خواهد بود که دقیقا مانند فتوسل عمل خواهد کرد. پس از گذشت زمان در طول روز و قبل از غروب آفتاب ولتاژ تولیدی صفحه خورشیدی از تابش ضعیف خورشید به کمتر از ولتاژ برنامه ریزی شده برسد دستور ارسالی به رله نخواهد رسید و جریان سیستم روشنایی وصل خواهد شد و در نتیجه سیستم روشنایی در حالت کار قرار گرفته و روشن می شود.
