بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت یافتن بحث صرفه جویی در مصرف انرژی ، روشهایی که بتوان از طریق آنها در زمینه تولید و یا مصرف انرژی بهبود حاصل نمود ، مورد توجه قرار گرفته اند. روشنائی ، سهم عمده ای در مصارف خانگی و همچنین نقش قابل توجهی در مصارف صنعتی و عمومی نیز دارد و از طرف دیگر عمده ترین مصرف در ساعات پیک، مربوط به روشنائی می باشد . با توجه به این نکته که روشنایی معابر با استفاده از ساعت نجومی کنترل می شوند، همواره با مشکلاتی مواجه هستند. همچنین در برخی موارد از فتوسل ها برای کنترل روشنایی استفاده می نمایند که باعث روشن شدن چراغ ها در روزهای ابری ساعات میانی روز می شود که باعث هدر رفتن انرژی می شود.
برای رفع این مشکلات سیستمی معرفی خواهد شد تا با استفاده تلفیق داده های فتوسل و ساعت نجومی مشکلات این روش ها را حل نماید و روشنایی را در بهینه ترین حالت کنترل نماید. همچنین از چراغ های LED به جای چراغ های متداول استفاده خواهد شد تا با کنترل روشنایی آنها با توجه به نور محیط و ساعت شبانه روز در مصرف برق صرفه جویی شود. همچنین با اندازه گیری جریان تک تک فازها، روشنایی معابر به فازی متصل خواهد شد که مصرف از آن فاز باعث ایجاد تعادل در فازها خواهد گردید تا در این زمینه نیز به بهبود عملکرد شبکه توزیع کمک شود.
مقدمه
با توجه به اهمیت یافتن بحث صرفه جویی در مصرف انرژی ، روشهایی که بتوان از طریق آنها در زمینه تولید و یا مصرف انرژی بهبود حاصل نمود ، مورد توجه قرار گرفته اند . موضوع طراحیهای جدید روشنایی معابر از اهمیت خاصی در صنعت برق برخوردار است. در آمار انتشار یافته توسط وزارت نیروی ایران بخش روشنائی با مصرف حدود 4672/4 میلیون کیلو وات ساعت در سال 1382 بالغ بر %4 از مصرف انرژی برق کشور را به خود اختصاص داده است .
ضمن اینکه روشنائی ، سهم عمده ای در مصارف خانگی و همچنین نقش قابل توجهی در مصارف صنعتی و عمومی نیز دارد و از طرف دیگر عمده ترین مصرف در ساعات پیک - اوج بار - ، مربوط به روشنائی می باشد . طبق آمار ، بخش روشنائی معابر رشدی بالغ بر %24 در سال داشته که این افزایش نشان دهنده گسترش شهرها و افزایش روشنائی شهری شهرها و روستاهاست .سیستم تامین روشنایی معابر نه تنها باید از نظر خصوصیات فنی کفایت داشته باشد، بلکه از جنبه های ایمنی ،ارگونومی ،بهداشتی ،روانشنا سی و هنری نیازهای استفاده کنندگان را برآورده نماید.
با توجه به استانداردها، روشنایی مطلوب به روشنایی اطلاق می شود که طیف نور متناسب با محل مورد استفاده را داشته باشد، دارای یکنواختی روشنایی حداکثر باشد تا از ایجاد سایه جلوگیری کند، منابع روشنایی در دید عابران نباشد و جنبه های هنری نیز رعایت شده باشد. چراغهای LED1 با 85 درصد صرفه جویی در مصرف برق جایگزین بسیار مناسبی برای چراغ های قدیمی موجود در معابر و یا ساختمانها میباشد. امروزه چراغهای LED در انواع مختلفی از قبیل خیابانی، دفنی، پرژکتور و... تولید شده و میتواند روشنایی معابر و خیابانها را تامین نماید.
چراغهای LED حاصل تکنولوژی روز دنیا بوده و در انواع مدلها، مناسب برای هر فضا و شرایط آب و هوایی و در رنگهای متنوع تولید میشود .عمر این چراغها 5 برابر بیشتر از چراغهای قدیمی فعلی می باشد. از دیگر مزیتهای لامپهای LED می توان به بازده نوری بالای این لامپها اشاره نمود. در حال حاضر لامپهای led بازدهای بین 74 تا 120 لومن بر وات را دارا میباشند و این در حالی است که این مقدار برای لامپهای رشتهای 10 تا 15 لومن بر وات، برای لامپهای کممصرف 45 تا 65، برای لامپهای بخار جیوه 35 تا 60، برای لامپهای بخار سدیم 60تا 110 و برای لامپهای متال هالید 75 تا 85 لومن بر وات میباشند.
استفاده از لامپهای LED از نظر طول عمر، صرفه اقتصادی و بازده قابل توجیه است. در حال حاضر در روشنایی معابر از لامپ های LED استفاده نمی شود که در مقایسه با این لامپ ها مصرف خیلی بالاتری دارند. با توجه به اینکه چراغ های نصب شده در معابر در ساعات پایانی روز و غروب آفتاب روشن می شوند و این زمان با زمان پیک بار همزمان شده است، فشار مضاعفی به شبکه وارد می آید.
برای رفع این مشکل در این تحقیق، علاوه بر اینکه در سیستم روشنایی مدنظر از لامپ های LED استفاده خواهد شد که انرژی کمتری مصرف می کنند، بلکه در کنار این سیستم یک پنل خورشیدی همراه با یک ذخیره کننده انرژی - باتری - تعبیه خواهد شد که در طول روز انرژی خورشید را بصورت انرژی الکتریکی در باتری ذخیره نماید و در ساعات اوج مصرف، سیستم روشنایی مذکور از شبکه جدا شود و از باتری تغذیه نماید تا از فشار وارد شده به شبکه بکاهد و از قطعی های احتمالی جلوگیری شود. با این روش سیستم مدنظر در اجرای سیاست های پیک سایی ادارات برق سهم بسزایی خواهد داشت.
یکی دیگر از مشکلات سیستم روشنایی متداول، قابل کنترل نبودن نور منتشر شده از لامپ هاست. بدین معنی که این لامپ ها بخاطر ساختاری که دارند در حالت کلی یا روشن هستند و یا خاموش و در میزان روشنایی آنها کنترلی نمی توان اعمال کرد. با استفاده از سیستم پیشنهادی در این مقاله، می توان نور LED ها را با توجه به نور محیط کم و زیاد کرد. این بدان معناست که در ساعات اولیه غروب خورشید که روشنایی به میزان کافی وجود دارد، می توان LED ها را با توانی کمتر از ماکزیمم توان خودشان روشن کرد که این کار نیز باعث صرفه جویی در مصرف برق خواهد شد.
همچنین در سطح شهر نیز دیده می شود در روزهایی که هوا ابری است، چراغ های تعبیه شده در معابر به علت استفاده از فتوسل برای تشخیص روشن و خاموش کردن لامپ ها، کلیه چراغ ها را روشن می کنند که نیازی به اینکار نیست که در صورت استفاده از سیستم پیشنهادی از تمامی این پیش آمد ها جلوگیری خواهد شد. مشکل دیگری هم که شرکت های توزیع با آن روبرو هستند، متعادل نمودن فازهاست.
سیستم پیشنهادی که در تیرهای برق نصب خواهد شد، از هر سه سیم فاز بوسیله سنسور جریان تعبیه شده در سیستم نمونه برداری خواهد نمود و سیستم روشنایی را به فازی وصل خواهد نمود جریان کمتری از آن عبور می کند تا بارها نیز متعادل شوند و این مشکل نیز برطرف شود. سیستم مورد نظر دارای GSM Modem خواهد بود تا بتواند دستورات مربوط به کنترل روشنایی و تنظیم نور چراغ ها را از راه دور دریافت نموده و مشکلات موجود در استفاده از فتوسل ها را برطرف نماید.
همچنین سیستم این توانایی را دارد تا با استفاده از سنسور نور موجود بر روی خود، اطلاعات محیط از لحاظ روشنایی و اطلاعات فازها را از لحاظ بار به شرکت های توزیع ارسال نماید. سیستم مورد نظر هم توانایی کنترل روشنایی بصورت هوشمند با فیدبک گیری از نور محیط را دارد و هم قابلیت دریافت فرامین از را ه دور را دارد که مزیت بزرگی برای این سیستم ها به حساب می آید.
مروری بر پژوهش های قبلی
زمانی که برای اولین بار نور بسیار کمی حین عبور جریان از این گونه دیودها مشاهده گردید ، هیچکس تصور نمی کرد که این نور به ظاهر ناچیز ، آینده روشنایی را متحول خواهدساخت ولی با گذشت زمان و ابداع روش هایی بمنظور افزایش میزان نور تولیدی توسط LED ها ، نظر بسیاری از کارشناسان به آنها جلب شد. با گسترش این چراغ ها و متداول شدن استفاده از آنها در کاربرده های روشنایی خانگی و معابر، ایده های مختلفی در این زمینه پیاده سازی شد. در تحقیقی به بررسی و طراحی سیستم روشنایی محیط های صنعتی مبتنی بر LED پرداخته شد.
در این تحقیق برای راه اندازی لامپهای LED از یک صفحه خورشیدی استفاده شده است که انرژی تولیدی را در باتری تعبیه شده ذخیره نمایند تا در مواقع اوج بار از آن استفاده شود - کوین کومار و همکاران, . - 2015 در تحقیق دیگر به بررسی سیستم های قابل کنترل روشنایی معابر با استفاده از LED ها پرداخته شد که در آن با استفاده از شبکه های محلی و اینترنت و دریافت اطلاعات از سنسورهای نور تعبیه شده به کنترل بهینه لامپ های LED مبادرت ورزیده شد - میلنا و همکاران, . - 2015 ماژول هایی طراحی شد که با استفاده از آن ماژول ها ولتاژ مورد نیاز برای روشن نمودن لامپ ها فراهم گردید - گوستاوو و همکاران, . - 2015
سیستم هوشمند کنترل نور براساس سیستم عامل اندروید طراحی گردید. این سیستم با استفاده از شبکه بی سیم به چراغ ها متصل می شود و می توان نور آنها را کنترل نمود. همچنین در این تحقیق از LED های RGB2 استفاده شده است که بوسیله نرم افزار طراحی شده قابلیت تغییر رنگ را نیز دارا می باشند - چاهووی و همکاران, . - 2016 در تحقیقی دیگر به طراحی سیستم روشنایی معابر هیبریدی با استفاده از سلول خورشیدی پرداخته شد.
در این تخقیق از پنل های خورشیدی 12 ولت، 60 وات استتفاده شده است که انرژی تولیدی خود را در باتری ذخیره می کنند - لینگ و همکاران, . - 2016 با استفاده از LED ها در دروشنایی معابر تلاش به کم کردن هارمونیک ها پرداخته شد. از این لامپ ها برای جایگزینی لامپ های متداول سنتی استفاده گردید - یوماک و دوستان, . - 2016 اقدام به طراحی کنترل کننده شدت نور LED ها با استفاده از سنسورهای وایرلس گردید.
در این سیستم که برای کاربردهای خانگی مورد طراحی قرار گرفت، با استتفاده از فیدبک گیری از سنسور نور، بصورت وایرلس، میزان شدت نور لامپ ها کنترل می شد - وانگ و همکاران, . - 2017 برای بهبود مصرف انرژی لامپ ها از یک کنترلر PID برای کنترل میزان شدت نور استفاده گردید - والدز و همکاران, . - 2017 با استفاده از سیستم کنترل از راه دور از طریق SMS و WIFI سیستم کنترل نور معابر را طراحی گردید .
در این تحقیق، روشنایی قابلیت قطع و وصل شدن از راه دور را داراست - فاتیگان و همکاران, . - 2017 کنترل روشنایی معابر را براساس اینترنت اشیا طراحی گردید که در آن لامپ ها را می توان از راه دور کنترل نمود - آدریان و همکاران, . - 2017 سیستم کنترل نور محیط براساس LED و سلول خورشیدی را طراحی گردید. در این سیستم از سنسورهای تشخیص حضور انسان برای فیدبک گیری استفاده شد است - تران و همکاران, . - 2017 با استفاده از ماژول های زیگ بی به کنترل روشنایی پرداخته شد و نرم افزاری کامپیوتری نیز برای این کار طراحی گردید - لی و همکاران, . - 2017 در سیستم مورد نظر در این تحقیق، با در نظر گرفتن تمامی امکانات تحقیق های فوق الذکر، امکانات بیشتری نیز در نظر گرفته شده است.
از سلول های خورشیدی برای ذخیره انرژی استفاده شده است که در سیستم مد نظر نیز سلول های خورشیدی با اعمال سیستم مدیریتی برای هرچه بهینه مصرف کردن انرژی در نظر گرفته شده اند. برای کنترل LED ها از دو روش استفاده شده است که یکی روش هوشمند و دیگری روش کنترل از راه دور از طریق GSM Modem می باشند - میلنا و همکاران, - - 2015لینگ و همکاران, . - 2016 از سیستم عامل اندروید و ماژول های زیگ بی و یا کنترلرهایی با برد کم استفاده شده است که برای سیاست های پیک سایی و کنترل از راه دور از طریق شرکت های توزیع کاربرد چندانی ندارد و برای کنترل های محلی استفاده می شوند که در سیستم مورد نظر، ارتباصات از راه دور از طریق GSM Modem خواهد بود که این قابلیت را به شرکت های توزیع می دهد تا از راه دور نور محیط را کنترل نمایند.
کنترل مبتنی بر SMS خواهد بود که در موارد ذکر شده، فقط قابلیت قطع و وصل وجود دارد و قابلیت کنترل نور وجود ندارد که در سیستم مورد نظر در این تحقیق، این مشکلات برطرف شده است. برای کنترل نور از مبدل های ولتاژ و کنترلر PID استفاده شده است که در سیستم مورد نظر در این تحقیق نیز برای کنترل نور با فیدبک گیری از سنسور موجود و زمان روز، میزان شدت نور لامپ ها به بهینه ترین حالت تنظیم خواهد شد.
برای کنترل نور از سنسورهای تشخیص حضور انسان استفاده شده است که برای مصارف خانگی کابرد دارد برای استفاده در روشنایی معابر مناسب نیست که در این تحقیق همانگونه که اشاره شد با استفاده از تلفیق داده های سنسور نور و زمان روز، به کنترل نور لامپ ها چه از نظر قطع و وصل و چه از نظر شدت روشنایی خواهیم پرداخت.
روشنایی معابر و الزامات آن
چراغ برق یا روشنایی معابر که به اختصار چراغ، تیر یا روشنایی هم گفته میشود، به منابع روشنایی عمومی در سطح معابر و مکانهای عمومی گفته میشود. منابع روشنایی معابر عمدتاً در بالای تیرهای برققرار دارند و امروزه عمدتاً از نوع الکتریکی هستند. روشنایی معابر در شهرها از دیرباز مورد توجه بودهاست و در هر زمان با امکانات متفاوتی نسبت به آن اقدام میشدهاست. مشعل، چراغ روغنی و چراغ گاز از نمونههای قدیمی تر روشنایی معابر هستند . تامین روشنایی خیابانها و معابر عمومی یکی ازمصارف مهم انرژی برق محسوب میشود.
