EnergiaforrásokVilágítástechnika
Pozitív energiamérlegű intelligens közvilágítási rendszer
2014/11. lapszám | Dudás Péter Prikler László Kuti András Bátai Roland | 4952 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A Központi Fizikai Kutatóintézet csillebérci telephelyén kialakított E+Grid rendszer egy hazai finanszírozású K+F projekt keretein belül jött létre. A projekt célja egy olyan kültéri laboratórium létrehozása, amelynek segítségével egy integrált közvilágítási, energetikai és informatikai rendszer együttes optimalizálása hajtható végre, reflektálva a 2020-as európai stratégia energetikai célkitűzéseire.
A kísérleti rendszer négy fő modulból épül fel. A világítási feladatot az integrált érzékelőket és kommunikációs egységeket tartalmazó LED lámpatestek látják el. A kis- feszültségű hálózatra csatlakozó, energiatároló egységekkel ellátott és napenergiát hasznosító energia-menedzsment rendszer biztosítja a lámpatesthálózat tápellátását. Az időjárásállomás a rendszer aktuális állapotáról ad tájékoztatást és az energetikai előrejelzések tanuló algoritmusainak biztosít bemenő adatokat, míg a központi számítógép összekapcsolja az egyes modulokat, így biztosítva a mindenkori optimális működést, illetve az adatok megjelenítését és a vezérlési lehetőségeket a grafikus felhasználói felületen (GUI). A rendszer architektúráját az 1. ábra mutatja.
Adaptív világítási rendszer
Az E+Grid rendszerben használt világítótestek fényárama az észlelt jármű- és gyalogosforgalom, valamint a helyi időjárás hatására automatikusan megváltozik. A kísérleti lámpatestekhez illesztett passzív infravörös mozgásérzékelők segítségével az úton haladók sebessége és haladási iránya is meghatározható. Az érzékelt állapot szerint a lámpatestben elhelyezett vezérlőegység azonosítja és kategorizálja a kialakult forgalmi helyzetet, majd a világítótest által szolgáltatott fényáramot az érzékelt mozgásnak megfelelően állítja be úgy, hogy az elegendő legyen a biztonságos és kellemes közlekedéshez.
| A világítási feladatot az integrált érzékelőket és kommunikációs egységeket tartalmazó LED lámpatestek látják el. A kisfeszültségű hálózatra csatlakozó, napenergiát hasznosító rendszer biztosítja a lámpatesthálózat tápellátást. Az időjárásállomás a rendszer aktuális állapotáról ad tájékoztatást, míg a központi számítógép összekapcsolja az egyes modulokat, így biztosítva a vezérlési lehetőségeket a grafikus felhasználói felületen. |
Az egyes világítótestek egy erre a célra dedikált vezeték nélküli kommunikációs hálózaton közvetlen kapcsolatban állnak egymással annak érdekében, hogy az általuk detektált eseményekről értesíteni tudják a rendszer többi elemét. A detektált mozgás hatására így nem csak az azt észlelő világítótest fényárama változik meg, hanem az adott útszakaszon a soron következő lámpatestek által szolgáltatott fénymennyiség is egyedi értéket vehet fel. Egy, a rendszer működésének ellenőrzését célzó kísérleti beállítás szerint egy jármű észlelésekor további 10 világítótest fényárama növekszik névleges értékűre, míg a gyalogosoknak 4 oszlop távolságra világíthatunk előre. Mozgás érzékelése esetén az útszakaszon kialakuló megvilágítás-eloszlás (az úgynevezett világítási kép) a mozgás időbeli lezajlása során látszólag követi az úthasználót, így előrehaladása során újabb lámpatestek fényárama emelkedik meg, míg a jármű mögött a megvilágítás idővel csökken. Az ideálisan beállított rendszer használói – azaz az úton közlekedők – az adaptív működésből mit sem érzékelnek, a lámpatestek fényárama még az érkeztük előtt megemelkedik.
A megfelelő világítási kép beállításához a rendszer minden elemének ismernie kell, hogy mely rendszerelemeket kell riasztania a mozgás detektálásakor. Az elemek közti viszonyt leíró szomszédsági mátrix automatikusan alakul ki a világítótestek földrajzi elhelyezkedése szerint, melyet a bennük elhelyezett GPS vevő alapján határoz meg minden intelligens világítótest. Természetesen elképzelhető, hogy két egymáshoz közeli lámpatest más-más útszakaszt világít meg – vagyis topológiai értelemben nem egymás szomszédjai –, de a szomszédsági mátrix a rendszer használata során folyamatosan és automatikusan javul, pontosodik. A pontosítást a berendezésben implementált gépi tanulási algoritmusok valósítják meg. A fentiek értelmében a dinamikusan változó világítás kialakításához – és új világítótestek rendszerbe illesztéséhez – nincs szükség központi vezérlő egységre, a fényáram- szabályozás a világítótestekbe integrált elosztott intelligencia révén valósul meg.
A mozgásra reflektáló világítási rendszer segítségével jelentős energiamegtakarítás érhető el, főként azokon a helyszíneken, ahol kis forgalomsűrűség várható az éjszakák során, vagy a forgalom csak bizonyos időszakokban jelentős – például ipari parkokban és lakóövezetekben.
Energia-menedzsment rendszer
A lámpatesthálózat tápellátást az energetikai rendszer biztosítja. Az energetikai rendszer a kisfeszültségű hálózatra csatlakoztatott napelemes rendszerekből, energiatároló egységekből, illetve a központi számítógép számára adatokat biztosító, teljeskörű mérési infrastruktúrából épül fel. A teljes rendszer felépítése moduláris, vagyis a felhasználói igényektől függően valamely elem elhagyása mellett is működőképes rendszert kapunk.
A négy egymástól független napelemes rendszer biztosítja a teljes kísérleti rendszer pozitív energiamérlegét egy éves horizonton. A független rendszerek alkalmazása további lehetőséget nyújt az egyes napelemes technológiák azonos és valós körülmények közötti összehasonlítására, így a rendszer segítségével el lehet dönteni, hogy egy adott telepítési környezet állapotától függően (éghajlat, árnyékviszonyok) melyik technológiát érdemes használni egy optimalizált rendszerben. Az egyes alrendszerek névleges adatait az 1. táblázat tartalmazza. Az akkumulátoros energiatároló egységek a napelemes rendszer által napközben megtermelt energiát képesek eltárolni, az esti órákban pedig ezzel a tárolt energiával biztosítják a lámpatesthálózat fogyasztásigényének egy részét. Az akkumulátoros energiatároló rendszerek alkalmazása – a telepítés helyétől és a napelemek, illetve az akkumulátorok méretétől függően – több célt is szolgálhat. Bizonytalan hálózatok esetében a berendezések backup funkciót láthatnak el, vagyis hálózati kimaradás esetén az akkumulátorok segítségével a közvilágítás szigetüzemben is működtethető, így csökkentve a közlekedés- és közbiztonsági kockázatokat.
Egy napelemes rendszer termelési profilja – a nappali karbantartásokat kivéve – sohasem esik egybe a közvilágítás fogyasztási profiljával. Ha a megtermelt energiát valóban közvilágítási célokra szeretnénk felhasználni, akkor ez szükségessé teszi valamilyen energiatároló rendszer alkalmazását. További sajátossága a közvilágítás fogyasztási profiljának, hogy a lámpatestek bekapcsolása minden évszakban egybeesik az országos terhelési görbe esti csúcsával. A KFKI telephelyen létesített kísérleti rendszer energiatároló egységei úgy kerültek kialakításra, hogy a napközben – vagy adott esetben az éjszakai völgyidőszakban a hálózatról – feltöltött akkumulátorok segítségével az esti 2-3 óra hosszúságú csúcsidőszakokban biztosítani tudják a lámpatesthálózat működtetéséhez szükséges energiát. Ebben az esetben a rendszer nem áll át szigetüzembe, hanem a beépített mérési infrastruktúra adatai alapján úgy szabályozza az akkumulátor inverterek töltését/kisütését, hogy a hálózati csatlakozási ponton a teljesítményszaldó minden időpillanatban közel nulla legyen (4. ábra). Amennyiben a telepítési helyen rendelkezésre álló energiaszolgáltatás időben változó, progresz-szív tarifákat alkalmaz (a villamos energia ára a hálózat terheltségétől függően folyamatosan változik, pl. Anglia, Ontario), lehetőség van az akkumulátoros rendszerek töltés/kisütésének gazdasági szempontok szerinti vezérlésére is. Ebben az esetben a központi számítógép végzi a tarifák, a termelési és a fogyasztási adatok perdikcióját, és az előrejelzett adatok alapján határozza meg a töltés/kisütési paramétereket.
A kísérleti rendszer nem csak különböző napelemtechnológiák, hanem az egyes fázisokon alkalmazott akkumulátortechnológiák öszszehasonlítására is alkalmas. Az egyes energiatároló rendszerek névleges és mért adatait a 2. táblázat tartalmazza.
Központi számítógép és időjárásállomás
A rendszer szerves részét képző központi számítógép a berendezésen mérhető paraméterek gyűjtésén és az energiafolyam optimalizálásán túl számos funkciót is megvalósít. Segítségével valós időben kérdezhető le a kialakítás egyes elemeinek minden paramétere. Az adatok mindegyike megjeleníthető a grafikus felhasználói felületen bármely, interneteléréssel rendelkező számítógépen. A rendszer elemei beágyazott térképen jelennek meg, és a jogosultsági szabályoknak megfelelően a felhasználó áttekintheti állapotukat, vagy akár be is avatkozhat működésükbe szükség esetén. A bemutatott grafikus felhasználói felület lehetőséget biztosít a világítótestekben futó vezérlő kód frissítésére, illetve az egyes vezérlőegységeknek közvetlenül is elküldhető a beállítani kívánt fényáram érték. A távoli programozás lehetőséget biztosít az adaptív közvilágítás további kutatására, hiszen a bemutatott funkciók segítségével korlátlan számú vezérlési elv hatása vizsgálható mind az úthasználók szempontjából, mind az üzemeltetési költségek alakulása szerint.
A napelemek által termelt energiamennyiség predikciója érdekében a rendszer egyedi fejlesztésű időjárásállomást használ, mely a környezeti paraméterek mérésén túl információt szolgáltat a fotovoltaikus eszközök állapotáról, azok főbb paramétereiről. A kísérleti közvilágítási rendszer ki- és bekapcsolásáért a központi számítógép által tárolt közvilágítási naptár felel, de az időjárásállomás részét képző alkonykapcsoló segítségével akkor is indítható az állapotváltozás, ha a kapcsolási időpontban a központi egység nem érhető el.
További célok
A rendszer hosszabb távú üzemeltetése lehetőséget biztosít az energiafolyam-optimalizálással kapcsolatos további kísérletek elvégzésére, az egyes vezérlési algoritmusok a tesztelésére, továbbá hasznos információkat szolgáltat az egyes rendszerelemek (napelem, akkumulátor) hoszszabb távú működéséről. További feladat az adaptív közvilágítási rendszerek kutatása. Az egyes világítási jelenetek valós, utcai körülmények között próbálhatók ki az ipari park jellegű kutató központ területén, anélkül, hogy a kísérleti rendszer a közlekedésbiztonságot veszélyeztetné. A projekt fenntartási időszakában folyamatos mérés zajlik a berendezésen, így elősegítve a további fejlesztéseket.
