Cuprins1. 2. Istoria iluminatului public ..................................................................................................................... 3 Mrimi radiometrice i fotometrice...................................................................................................... 4 2.1. Radiometria.................................................................................................................................. 5 Energia radiant.................................................................................................................... 5 Fluxul radiant (Puterea radiant)........................................................................................... 5 Densitatea de flux radiant (Iradiana i Excitana radiant).................................................... 6 Radiana ............................................................................................................................... 7 Intensitatea radiant ............................................................................................................ 9

2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4. 2.1.5. 2.2.

Fotometria ..................................................................................................................................10 Intensitatea luminoas ........................................................................................................11 Fluxul luminos (Puterea luminoas) .....................................................................................12 Energia luminoas................................................................................................................12

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5. 3.

Componentele sistemului de iluminat public de sine stttor ..............................................................13 3.1. Lampa cu LED ..............................................................................................................................13 Tehnologia LED ....................................................................................................................13

3.1.1. 3.1.2.

3.1.2.1. 3.1.2.2. 3.1.2.3. 3.1.3. 3.2.

Ledurile SSL i beneficiile acestora................................................................................14 Eficiena luminoas ......................................................................................................14 Durata de via ............................................................................................................16

Panoul fotovoltaic .......................................................................................................................17 Celula solar ........................................................................................................................17 Clasificarea celulelor solare ..........................................................................................18 Moduri de construcie ..................................................................................................19 Principiul de funcionare ..............................................................................................20 Celule solare pe baz de siliciu .....................................................................................20 mbtrnirea ................................................................................................................22

3.2.1.

3.2.1.1. 3.2.1.2. 3.2.1.3. 3.2.1.4. 3.2.1.5. 3.2.2.

Panoul fotovoltaic ................................................................................................................22 Elementele constructive ale unui panou solar ..............................................................22 Procesul de fabricaie a panoului solar .........................................................................23 Rolul diodei by-pass .....................................................................................................23

3.2.2.1. 3.2.2.2. 3.2.2.3. 3.2.3.

Captarea energiei solare pe teritoriul Romaniei ...................................................................24

Ilu

Avantajele iluminatului cu LED .............................................................................................16

m in

ar

Iluminatul cu LED .................................................................................................................14

e-

le

d.

Luminana ...........................................................................................................................12

ro

Densitatea de flux luminos (Iluminana i Excitana luminoas)............................................12

3.3. 3.4.

Bateriile.......................................................................................................................................25 Charger-ul ...................................................................................................................................29 Charger-ul MPPT ..................................................................................................................30

3.4.1. 3.5. 4.

Clasele de iluminare pentru iluminatul cilor de circulaie ...........................................................32

Sistemul de iluminat public de sine stttor ........................................................................................34 4.1. Dimensionarea sistemului de sine stttor ..................................................................................34 Programul DIALUX ...............................................................................................................34 Crearea unui proiect ............................................................................................................34 Crearea unui nou proiect..............................................................................................35 Adugarea unei noi lampi.............................................................................................35 Modificarea parametrilor .............................................................................................36 Calcularea solutiei ........................................................................................................37

4.1.1. 4.1.2.

4.1.2.1. 4.1.2.2. 4.1.2.3. 4.1.2.4. 4.1.3. 4.1.4. 4.1.5. 4.1.6. 4.1.7. 4.2.

Lampa de iluminat ...............................................................................................................38

Alegerea chargerului ............................................................................................................44 Concluziile dimensionrii .....................................................................................................45

4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.2.5. 4.2.6. 4.2.7. 5. 6. 7.

Stlpul de iluminat ...............................................................................................................48 Lampa de iluminat ...............................................................................................................50 Dimensionarea panoului fotovoltaic ....................................................................................50

Bateriile ...............................................................................................................................52 Concluzii i rezultate ............................................................................................................53

Concluzii generale ...............................................................................................................................54 Bibliografie..........................................................................................................................................55 Anexe..................................................................................................................................................56 7.1. Monitorizarea Sistemului de Iluminat Public de Sine Stttor ......................................................56

Ilu

Chargerul .............................................................................................................................52

m in

ar2

4.2.1.

Dimensionarea n DIALux .....................................................................................................45

e-

Studiul de caz ..............................................................................................................................45

le

d.

Alegerea panoului ................................................................................................................42

ro

Alegerea bateriilor ...............................................................................................................39

1. Istoria iluminatului publicPentru prima oar se foloseau lmpi n civilizaiile roman i greac, unde scopul principal era de securitate, att pentru a proteja trectorii de eventuale obstacole pe drum ct i pentru a proteja casele de hoi. Pe atunci lmpile cu ulei erau folosite predominant ntruct acestea ddeau o flacr moderat de lung durat. Romanii aveau un cuvnt laternarius, care era termenul ce desemna sclavul respnsabil cu aprinderea lmpilor din faa vilei. Aceast sarcin a continuat s fie pstrat pentru o singura persoan pn n Evul Mediu, cnd asa-numitii biei de legtur escortau oamenii dintr-un loc n altul prin strzile ntunecate i sinuoase ale oraelor medievale. naintea lmpilor incandescente, iluminatul cu gaz s-a implementat n orae. Primele lmpi erau aprinse de un lampagiu care fcea turul orasului la lsatul serii aprinznd fiecare lamp n parte, nsa ulterior au aprut mecanisme automate de aprindere. Primele lmpi stradale moderne, care foloseau kerosen, au fost introduse n Lviv n anul 1853, pe vremea cnd oraul fcea parte din Imperiul Austriac. Primele lmpi stradale electrice funcionau cu arc, modelul iniial fiind Lumnarea electrica sau Lumnarea Yablochkov dezvoltat de rusul Pavel Yablochkov n anul 1875. Aceasta era o lamp cu arc care funciona cu curent alternativ, ceea ce asigura consumul egal al electrozilor. Lumnrile Yablochkov au fost primele folosite pentru a lumina Grands Magasins du Louvre din Paris, unde s-au montat 80 aceast mbuntire este unul din motivele pentru care Parisul i-a ctigat renumele de Ora al luminilor. Prima strad din Regatul Unit care a fost iluminat electric a fost Mosley Street din oraul Newcastle-upon-Tyne. Strada a fost iluminat de lampa incandescenta a lui Joseph Swan pe 3 februarie 1879. Prima din Statele Unite, i a doua din toate timpurile, a fost sistemul rutier Public Square din Cleveland, Ohio pe 29 aprilie 1879. Wabash, Indiana este al treilea ora din lume, vznd lumina electrica pe 2 februarie 1880. Patru lampi cu arc Brush de 3000 candela erau suspendate deasupra tribunalului luminnd piaa oraului ca la orele prnzului. Kimberley, Africa de Sud, a fost primul oras din Emisfera Sudica i Africa cu strazi iluminate electric (de la 1 septembrie 1882). n America Latina, San Jose, Costa Rica, a fost primul ora iluminat electric, sistemul fiind lansat la 9 august 1884 cu 25 de lmpi alimentate de o central hidroelectric.

n seara zilei de 12 noiembrie 1884 au fost puse n funciune 731 de lmpi de iluminat electric n Timioara pe o lungime de 59 de kilometri, fcnd din Timioara primul ora iluminat electric din Europa continental. Iluminatul cu arc avea dou dezavantaje majore. n primul rnd, se emite o lumina intens i aspr care dei era util pe antierele industriale, nu era potrivit pentru strzile oraelor. n al doilea rnd, necesit mentenan intensiv, ntruct electrozii de carbon se consum rapid. Odat cu dezvoltarea becurilor incandescente luminoase la sfritul secolului al 19-lea, iluminatul cu arc nu s-a mai folosit pentru strzi, ns a mai fost util o perioad n zona industrial. Lmpile incandescente au fost principalele surse de iluminat stradal pn la apariia lmpilor cu descrcare n gaz. Acestea erau operate n circuite serie de nalt tensiune. Circuitele serie erau populare ntruct voltajul mai mare n acestea producea mai mult lumin pentru fiecare watt consumat. Mai mult, naintea inventrii controlului fotoelectric, un singur ntreruptor sau ceas putea controla toate luminile dintr-un ntreg district.3

Ilu

Pe 15 decembrie 1882 Primria oraului Timioara a ncheiat un contract de concesionare cu societatea Anglo-Austrian Bruch Electrical Company Ltd. n vederea iluminrii electrice a oraului. Lmpile incandescente care iluminau oraul erau cu electrozi de crbune.

m in

ar

e-

le

d.

ro

n ziua de astzi, iluminatul stradal folosete n mare parte lmpi cu descrcare, n cele mai multe cazuri lampi cu sodiu la nalt presiune(HPS). Astfel de lmpi furnizeaz cea mai mare cantitate de iluminare fotopic pentru cel mai mic consum de energie. Totui, la calcularea luminii scotopice/fotopice, se poate observa faptul c lmpile HPS nu sunt foarte potrivite pentru iluminatul nocturn. Sursele de lumina alb sunt mult mai eficiente. De exemplu, vederea periferic se dubleaz i reacia de frnare a oferului crete cu cel putin 25%. Astfel, la calculele acestea se reduce performana lmpilor HPS cu o valoare minim de 75%. Un studiu care compar lmpile cu halogen cu cele cu sodiu la nalt presiune a artat c la niveluri egale de lumin fotopic, o strad iluminat noaptea de un sistem cu halogen a fost vzut mult mai luminos i sigur n comparaie cu aceeai scen iluminat de un sistem HPS. Noile tehnologii de iluminat stradal, cum sunt lampile cu LED i lumina prin inducie, emit o lumin alb care furnizeaz nivele nalte de lumeni scotopici asigurnd lumin stradal cu consum de putere mai mic i un nivel mai sczut de lumeni fotopici pentru a nlocui luminile stradale existente. Totui, nu au existat specificaii formale privind ajustrile fotopice/scotopice pentru diferite tipuri de surse de lumin, cauznd multe municipaliti i departamente stradale s nu se grbeasc cu implementarea acestor noi tehnologii pn cnd standardele nu sunt aduse la zi.

Radiometria se ocup cu msurarea radiaiei optice, care este radiaia electromagnetic n intervalul de frecvene de la 3x10113x1016 Hz. Acest domeniu corespunde lungimilor de und ntre 0,01 i 1000 micrometrii i include regimurile denumite ultraviolet-UV, vizibil-VIS i infrarou-IR. n afara multor uniti tipice dou sunt acoperitoare

w m 2 i fotoni/secund-steradianFotometria se ocup cu msurarea luminii, care este radiaie electromagnetic ce poate fi detectat de ochiul uman. Aceasta este astfel restricionat la domeniul lungimilor de und de la 360 la 830 nm. Fotometria este la fel cu radiometria cu excepia c totul este normat de rspunsul spectral al ochiului. Fotometria vizual folosete ochiul ca un detector de comparaie, n timp ce fotometria fizic folosete att detectoarele de radiaie optic construite pentru a mima rspunsul spectral al ochiului ct i spectroradiometria cuplat cu calcule adecvate pentru ponderarea rspunsului ochiului. Uniti fotometrice tipice includ lumenul, luxul, candela i altele. Singura diferen real ntre radiometrie i fotometrie este aceea c radiometria include ntregul spectru al radiaiei optice, n timp ce fotometria este limitat la spectrul vizibil, aa cum este definit de rspunsul ochiului.

Ilu

m in

Lumina este radiaie electromagnetic. Ceea ce vedem ca lumina vizibil este numai o mic fraciune a spectrului electromagnetic, care se ntinde de la unde radio de frecvene foarte mici, prin microunde, infrarou (I.R.), vizibil (VIS) i ultraviolet (UV) la raze X si raze gama ultraenergetice. Ochiul uman rspunde la lumina vizibil; detectarea radiaiei din restul spectrului necesit un ntreg arsenal de instrumente, de la receptoare radio, la numrtoare cuantice.

ar4

e-

le

2. Mrimi radiometrice i fotometrice

d.

ro

Sistemele de iluminat cu lmpi cu LED alimentate cu panouri fotovoltaice incep s devin din ce n ce mai rspndite datorit eficienei energetice i a durabilitii sistemului n timp.

2.1.

Radiometria

Radiometria este tiina msurrii luminii n orice poriune a spectrului electromagnetic. n practic, termenul este uzual limitat la msurtorile luminii n domeniile IR, VIS i UV folosind instrumente optice. Radiometria este privit sub dou aspecte: teorie i practic. Practica presupune instrumente tiinifice i materiale folosite la msurarea luminii, incluznd termocuple de radiaie, bolometre, fotodiode, colorani i emulsii fotosensibile, tuburi foto cu vid, dispozitive CCD etc. Dar, teoria este partea care ne intereseaz.

2.1.1.

Energia radiant

Q =

Aceasta se msoar n Joule pe nanometru.

2.1.2.

Fluxul radiant (Puterea radiant)

Energia pe unitatea de timp este putere, care se msoar n Joule pe secund sau Watti. Un fascicul laser, de exemplu, este caracterizat de civa mW sau W de putere radiant. Lumina se propaga prin spaiu i astfel, puterea radiant este adesea denumit ca fiind rata de timp de propagare a energiei radiante sau fluxul radiant care se definete astfel:

=

dQ dt

Ilu

dQ d

m in

O surs de band larg, aa cum este Soarele, emite radiaie electromagnetic aproape n totalitatea spectrului electromagnetic, de la unde radio la raze gama. Totui, cea mai mare parte a energiei radiante este concentrat n interiorul poriunii vizibile a spectrului. Un laser cu o lungime de und singular, pe de alt parte, este o surs monocromatic; toat energia radiant, n acest caz, este emis pe o lungime de und specific. Ca o consecin a acestor situaii, se poate defini energia spectral, care este cantitatea de energie radiant pe unitatea de interval al lungimilor de und . Energia radiant spectral se definete astfel:

ar5

e-

le

d.

Energia radiant spectral

unde Q este energia radiant i t este timpul. n termeni de msurare a luminii vizibile cu un exponometru, amplitudinea instantanee a curentului electric este direct proporional cu fluxul radiant. Cantitatea total a curentului msurat

ro

Lumina este energie radiant. Radiaia electromagnetic (care poate fi considerat att und ct i particul, depinznd de modul n care se msoar) transport energie prin spaiu. Cnd lumina este absorbit de un obiect fizic, energia ei este convertit ntr-o alt form (de energie). Un cuptor cu microunde, de exemplu, nclzete un pahar cu ap cnd moleculele de ap absorb radiaia de microunde. Energia radiat a microundelor este convertit n energie termal (cldur). Similar, lumina vizibil cauzeaz apariia curentului electric ntr-un exponometru fotografic cnd energia radiaiei este transferat electronilor ca energie cinetic. Energia radiant (notat cu Q) este msurat n Joule.

(2.1)

(2.2)

ntr-un interval de timp este direct proporional cu energia radiant absorbit de exponometru n intervalul de timp dat. Acesta este modul de realizare a unei msurtori a flash-ului fotografic care determin cantitatea total a energiei radiante recepionat de la un flash. Propagarea luminii prin spaiu poate fi reprezentat de raze de lumin asemntoare acelora din tuburile catodice folosite ca display. Ele pot fi gndite ca un desen de linii infinitezimal de subiri, n spaiu, care indic direcia de parcurs a energiei radiante (a luminii). i acestea sunt speculaii matematice chiar dac cel mai ngust fascicul laser are o seciune transversal finit. Fr ndoial, ele asigur o cale suplimentar de nsuire a teoriei radiometrice. Fluxul radiant se msoar in W.

Fluxul radiant spectral (putere radiant spectral) Fluxul radiant spectral este fluxul radiant pe unitatea de interval de lungimi de und i se definete astfel:

=

d d

(2.3)

Fluxul radiant spectral se msoar n W/nm.

2.1.3.

Densitatea de flux radiant (Iradiana i Excitana radiant)

Matematic, iradiana este definit astfel:

unde este fluxul radiant sosit n punct i dA difereniala ariei care se nvecineaz cu punctul. Fluxul poate prsi suprafaa ca urmare a emisiei i/sau reflexiei (Fig. 2-1b). Densitatea de flux radiant n acest caz se numete excitan radiant. Ca i n cazul iradiaiei, fluxul poate prsi suprafaa deasupra i n orice direcie. Excitana radiant se definete astfel:M= d dA

Ilu

E=

d dA

m in

Exist dou condiii posibile. Fluxul poate ajunge la suprafa (Fig. 1-1a), n care caz densitatea de flux radiant se cheam iradian. Fluxul poate ajunge din orice direcie deasupra suprafeei, aa cum indic sensul sgeilor razelor.

ar6

e-

Densitatea de flux radiant este fluxul radiant pe unitatea de arie ntr-un punct pe o suprafa, unde suprafaa poate fi real sau imaginar (adic un plan matematic).

le

d.

unde este fluxul radiant care prsete suprafaa punctiform i dA difereniala ariei care se nvecineaz cu suprafaa punctiform.

ro(2.4) (2.5)

a)

b)

Fig. 2-1. a) Iradiaia, b) Excitana radiant.

Importana unei suprafee reale sau imaginare nu poate fi ignorat. Asta nseamn c densitatea fluxului radiant poate fi msurat oriunde n spaiul tridimensional. Aceasta include pe suprafaa obiectelor fizice, n spaiul dintre ele (de exemplu, n aer sau vid) i n interiorul mediului transparent precum apa i sticla. Densitatea fluxului radiant este msurat n Wm2

.

Densitatea fluxului radiant spectral

E =

M =

Densitatea fluxului radiant spectrul este msurat n W

Ilu

dM d

m in

Cnd fluxul radiant prsete suprafaa, acesta se numete excitan radiant spectral i se definete ca fiind:

ar7

dE d

em 2 nm

le

Densitatea fluxului radiant spectral este fluxul radiant pe unitatea de interval al lungimilor de und . Cnd fluxul radiant ajunge la suprafa, acesta se numete iradiana spectral i se definete astfel: (2.6)

2.1.4.

Radiana

Radiana este cel mai bine neleas prin vizualizarea ei mai nti. S ne imaginm o raz de lumin care sosete sau prsete un punct, de pe o suprafa, ntr-o direcie dat. Radiana este simplu cantitatea infinitezimal de flux radiant coninut n aceast raz. O definiie mai formal a radianei cere ca s gndim despre o raz ca fiind ntr-un con infinit ngust cu maximul su la un punct pe o suprafa real sau imaginar. Acest con are un unghi solid diferenial d care este msurat n steradiani. Trebuie, de asemenea, de notat c raza intersecteaz suprafaa la un unghi. Dac aria interseciei cu suprafaa are o arie a seciunii transversale difereniale dA, aria seciunii transversale a razei este dAcos, unde este unghiul dintre raz i normala la suprafa, aa cum se poate

d.

ro

observa n Fig. 1-2 (aria seciunii transversale dAcos se numete aria proiectat a ariei interseciei raz-suprafa dA. Acelai termen este folosit cnd se face referire la ariile finite A). Cu cele prezentate mai sus, n minte, se poate imagina un con elementar d care conine o raz de lumin care sosete sau prsete o suprafa (Fig. 2-3 a i b). Prin urmare, definiia radianei este:L= d 2 dA ( d cos )

(2.8)

unde este fluxul radiant, dA - aria diferenial din vecintatea punctului, d - unghiul solid diferenial al conului elementar i

- unghiul ntre raza i normala la suprafa n acel punct.n

dA cos dA

m inn d

Spre deosebire de densitatea de flux radiant, definiia radiaiei nu face distincie ntre fluxul care sosete sau care prsete o suprafa. n fapt, definiia formal a radianei (ANSI/IES 1986) stabilete c lumina poate prsi, se propag prin sau sosete pe suprafa.

ar

d dA a)

Ilu

Fig. 2-3. a) Radian (sosire); b) Radian (prsire).

O alt cale de a privi radiana, este s se noteze c densitatea fluxului radiant ntr-un punct pe o suprafa, determinat de o raz singular de lumin, sosind sau prsind suprafaa la un unghi cu normala la suprafa este d . Radiana n acel punct pentru acelai unghi este ( dAcos )

d 2

dA ( d cos )

, sau densitatea de flux radiant pe unitatea de unghi solid. .8

Radiana se msoar n W

m 2 nmSr

en dA b)

Fig. 2-2. O raz de lumin care intersecteaz o suprafa.

le

d.

Aria proiectat

ro

Radiana spectral Radiana spectral este radiana pe unitatea de interval de lungime de und, la lungimea de und . Este definit astfel:L = d 3 dA ( d cos ) d

(2.9)

i se msoar n Watt / metru ptrat / steradian per nanometru.

2.1.5.

Intensitatea radiant

unde d este unghiul solid diferenial a conului elementar care conine direcia dat. Din definiia unui unghi solid diferenial d = dAE = d d I = 2 = 2 dA r d r

ard

(

er2

le

d.) se obine:

I=

d d I

Mai general, fluxul radiant va intercepta dA sub un unghi (Fig. 1-4). Aceasta conduce la legea ptratic invers pentru surse punctiforme:E= I cos d2

Ilu

unde aria suprafeei difereniale este pe suprafaa unei sfere centrat pe i la o distan r de surs i E este iradiana acelei suprafee.

m in

unde I este intensitatea sursei n direcia dat i d distana de la surs la elementul de suprafaa dA.n

Fig. 2-4. Legea ptratic invers pentru sursele punctiforme.

9

rodA

Se poate imagina o surs punctiform infinitezimal de mic care emite flux radiant n toate direciile. Cantitatea de flux radiant emis ntr-o direcie dat poate fi reprezentat de o raz de lumin coninut ntr-un con elementar. Aceasta d o definiie a intensitii radiante: (2.10)

(2.11)

(2.12)

Se poate imagina o surs real sau imaginar ca fiind o surs continu punctiform, unde fiecare surs ocup o arie diferenial dA (Fig. 2-5).

n

dI

Fig. 2-5. Radiana unei surse punctiforme.dA

L=

Intensitatea radiant spectral

I =

Ilu

Intensitatea radiant spectral este intensitatea radiant pe unitatea de lungime de und a intervalului la lungimea de und . Ea este definit astfel:dI d

m in

ar10

Intensitatea radiaiei este msurat n Watt pe steradian.

e-

unde dI este intensitatea diferenial a sursei punctiforme n direcia dat.

le

dI dAcos

d.

i este msurat n Watt pe steradian pe nanometru.

2.2.

Fotometria

Fotometria este tiina msurrii luminii vizibile n uniti care sunt ponderate n acord cu sensibilitatea ochiului uman. Este o tiin cantitativ bazat pe un model statistic al rspunsului vizual uman la aciunea luminii ceea ce este percepia luminii de ctre oameni n condiii controlate cu grij. Sistemul vizual uman este un detector neliniar, inimaginabil de complex al radiaiei electromagnetice n domeniul lungimilor de und de la 380 la 770 nm. Noi recepionm lumina de diferite lungimi de und ca o continuare a culorilor distribuite n spectrul vizibil: 650 nm rou, 540 nm verde, 450 nm albastru, .a.m.d.

ro

Vzut la un unghi fa de normala la suprafaa n, sursa are o arie proiectat de dAcos . Combinnd definiiile radianei (ec. 2.8) i intensitatea radiant (ec. 2.10) se obine o definiie alternativ a radianei: (2.13)

(2.14)

Sensibilitatea ochiului uman la lumin variaz cu lungimea de und. O surs de lumin cu radiana de un W 2 a luminii verzi, de exemplu, apare mult mai strlucitoare dect aceeai m nmSrad surs cu o radian de un W 2 cu lumin roie sau albastr. m nmSrad n fotometrie nu se msoar waii energiei radiante. Se prefer s se msoare impresia subiectiva produs prin stimularea sistemului vizual uman ochi - creier cu energie radiant. Aceast sarcin este imens complicat de rspunsul neliniar al ochiului la aciunea luminii. Rspunsul variaz, nu numai cu lungimea de und, dar i cu cantitatea de flux radiant, fie c lumina este constant, fie c variaz n anumite limite, complexitatea spaial a scenei fiind recepionat, adaptarea irisului i a retinei, starea psihologic i fiziologic a observatorului i de prezena altor variabile. Fr ndoial, impresia subiectiv a vederii poate fi cuantificat pentru condiii normale de vedere. n anul 1924 comisia The Commission Internationale dEclairage (International Commission on Illumination, or CIE) a solicitat mai mult de o sut de observatori pentru a urmri vizual strlucirea surselor de lumin monocromatice cu diferite lungimi de und, n condiii controlate. Rezultatele statistice aa numita curb fotometric CIE, dat n Fig. 2-6, arat eficiena luminoas a sistemului vizual uman n funcie de ponderarea care poate fi folosit pentru a converti rezultatele msurtorilor radiometrice n rezultate fotometrice.1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 390 Eficiena luminoas fotonic

440

m in490

ar540 590 640 690

e740 Lungimea de und (nm)

Teoria fotometric nu trateaz modul cum se recepioneaz culorile. Lumina de msurat poate fi monocromatic sau o combinaie de lungimi de und; rspunsul ochiului este determinat de funcia de ponderare CIE. Aceasta subliniaz un punct crucial. Singura diferen ntre teoriile radiometric si fotometric const n unitile de msur folosite. 2.2.1. Intensitatea luminoas

Fondatorul fotometriei este Piere Bouguer, 1729. n lucrarea sa LEssai dOptique, Bouguer a discutat principiile fotometrice n termeni ai sursei convenionale de lumin a timpului su: o candel cu cear natural. Aceasta a devenit baza conceptului de surs punctual n teoria fotometric. Candelele cu cear erau folosite ca surse de lumin materiale standard n secolele al 18-lea i al 19-lea. n 1909, n Anglia au fost nlocuite sursele de lumin din cear obinut din ulei, cu un standard internaional bazat pe un grup de lmpi cu vid cu filament de carbon i din nou, n 1948 s-au11

Ilu

Fig. 2-6. Curba fotometric CIE.

le

d.

ro

nlocuit cu platin la punctul su de solidificare. Astzi standardul internaional este o surs teoretic punctiform care are o intensitate luminoas de o candel. Ea emite radiaie monocromatic cu o frecven de 540 x 1012 Hz (sau aproximativ =555 nm, corespunznd cu lungimea de und a eficienei luminoase fotonice maxime) i au o intensitate radiant (n direcia de msurare) de 1/683 watt per steradian. mpreun cu curba fotometric CIE, candela asigur factorul de ponderare necesar pentru convertirea rezultatelor msurtorilor din mrimi radiometrice n fotometrice.

2.2.2.

Fluxul luminos (Puterea luminoas)

Fluxul luminos este fluxul radiant (puterea) ponderat fotometric. Unitatea de msur a fluxului luminos este lumenul, definit ca 1/683 W de putere radiant la frecvena de 540x1012 Hz. Ca i n cazul intensitii luminoase, fluxul luminos al luminii cu alte lungimi de und poate fi calculat folosind curba fotometric, CIE. O surs punctiform avnd o intensitate luminoas uniform (izotrop) de o candel n toate direciile (adic o distribuie a intensitii uniform) emite un lumen de flux luminos per unitatea de unghi solid (steradian).

2.2.4.

Densitatea de flux luminos (Iluminana i Excitana luminoas)

2.2.5.

Luminana

Luminana este radiana ponderat fotometric. n termeni ai percepiei vizuale, noi receptm luminana. Ea este o msur aproximativ a ct de strlucitoare apare o suprafa cnd o vedem dintr-o direcie dat. Se uziteaz denumirea luminanei drept strlucire fotometric. Acest termen nu se mai folosete n ingineria iluminrii datorit senzaiei subiective a strlucirii vizuale care este influenat de muli ali factori fizici, fiziologici i psihologici. Luminana se msoar n lumeni per m2 per Srad.

Ilu

Densitatea de flux luminos este densitatea de flux radiant ponderat fotometric. Iluminana este echivalentul fotometric al radianei, n timp ce excitana luminoas este echivalentul fotometric al excitanei radiante. Densitatea de flux luminos se msoar n lumeni per metru ptrat.

m in

ar12

e-

le

Energia luminoas este energia radiantei ponderat fotometric. Ea se msoar n lumeni secund.

d.

2.2.3.

Energia luminoas

ro

3. Componentele sistemului de iluminat public de sine stttorSistemul de iluminat public de sine stttor are la baz lampa LED i panoul fotovoltaic. Pentru ca sistemul s funcioneze mai sunt necesare bateriile, care stocheaz energia captat n timpul zilei de panou, i un charger care face legatura ntre baterii, lamp i panou. Chargerul pornete sarcina pe timpul nopii i o oprete n timpul zilei, asigurnd o incrcare n parametrii optimi a bateriei. Mai departe voi discuta aspecte tehnologice legate de fiecare component a sistemului.

3.1.3.1.1.

Lampa cu LEDTehnologia LED

Un LED (din limba englez light-emitting diode, nseamn diod emitoare de lumin) este o diod semiconductoare ce emite lumin la polarizarea direct a jonciunii p-n. Efectul este o form de electroluminescen. Diodele emitoare de lumin deschid calea unei eficaciti n iluminare, precum i unei eficiene n ceea ce privete consumul energiei electrice. Pentru dioda InGaN, eficiena total scade odat cu creterea lungimii de und. Aadar, cu toate c LED-urile roii i LED-urile albastre au atins o eficien record, eficiena LED-urilor verzi este redus dramatic.LED-urile verzi nu sunt utilizate in producerea luminii albe datorit acestei eficiene sczute. n schimb, soluia practic este de a utiliza un fosfor, tipic Ce dopat YAG (yttrium aluminium garnet) plasat direct pe LED-ul albastru n scopul realizrii unui element de lumin aproximativ alb. Aceast metod a devenit foarte eficace, n ciuda faptului c randarea de culoare este oarecum slab datorit fosforului, care are un maxim larg n zona galben, i o zon de cdere n regiunea roie. Fosforul trebuie plasat uniform, cu aceeai grosime, plasat ntr-o matrice de silicon astfel nct s stea fix, ns dezavantajul este c dac devine prea gros va constitui un impediment luminii emise de el nsui. Funcionalitatea se pstreaz, astfel ca lumina albastr s fie absorbita, iar lumina galbena emis, ns lumina galben emis din direcia opus ntampin probleme deoarece aceasta trebuie emis din interiorul LED-ului i implicit trebuie s treac prin stratul de fosfor (care este dens i prezint un grad de imprtiere destul de ridicat). n ciuda dificultilor acestei metode, aceasta are un foarte mare succes datorit simplitii n comparaie, de exemplu, cu utilizarea separat a ledurilor roii, verzi (poriunea verde a spectrului include, de asemenea, lumina galben) i albastre, combinate n scopul realizrii unei lmpi albe. Un alb cald poate fi creat cu o pierdere de eficacitate prin adugarea unui fosfor rou YAG:Ceului galben. Exist o nou dezvoltare a acestei tehnici care promite realizarea unui fosfor solid ieftin, oferit de firma Nippon Sheet Glass. Lumina emis din spate poate trece prin stratul de fosfor cu mai mult uurin din moment ce stratul de fosfor nu mai prezint mprtiere. De asemenea, sunt soluii propuse care permit ambelor emisfere (ntreaga emisie sferic dintr-un strat de fosfor) s scape. O vopsea, spre deosebire de pudra de fosfor anorganic, poate fi cu uurin fcut fotopermisiva, astfel nct, prin mprtierea unei vopsele avnd o suprafa mai mare (sau volum mai mare) i avnd densiti de energie mai mici, se asigur condiiile necesare ca un sistem de vopseluri s funcioneze. La polul opus, o pudr anorganic de fosfor poate fi aplicat direct pe suprafaa ledului. n plus, multe pudre de fosfor anorganice sunt suficient de robuste nct s permit aplicarea direct pe o suprafa de iluminare intens (lumina albastr i UV prezint, de asemenea, energie mai mare).13

Ilu

m in

ar

e-

le

d.

ro

3.1.2. 3.1.2.1.

Iluminatul cu LED Ledurile SSL i beneficiile acestora

Luminarea n stare solid (Solid-State Lighting) prin intermediul LED-urilor (SSLLED) reprezint utilizarea de diode semiconductoare anorganice, n stare solid, pentru producerea de lumin alb n scopul iluminrii. Asemenea tranzistorilor semiconductori anorganici, LED-urile SSL reprezint o tehnologie ce are potenialul de a nlocui tuburile cu vid sau cu gaz (cum ar fi cele utilizate n lmpile incandescente tradiionale) utilizate cu scopul iluminrii. Eficiena sporit i versatilitatea asigurat de ctre LED-urile SSL, in detrimentul tuburilor tradiionale cu vid sau gaz va asigura: Reduceri substaniale n ceea ce privete consumul de energie electric Reduceri substaniale n ceea ce priveste poluarea cu carbon sau derivatele acestuia Economii substaniale pentru consumatorul de rnd, fie el persoan fizic, persoan juridic sau municipalitate mbunttire substantiala in ceea ce priveste experienta vizual umana n general. Eficiena luminoas

Ilu

Eficiena luminoas a radiaiei policromatice reprezint o convoluie ntre distribuia sa spectral S() i eficiena luminoas a radiaiei K():

m in

Lumina monocromatic la 555nm, la care i are maximul sensibilitatea vederii omeneti are o eficien luminoas maxim de 683 lm/W; lumina monocromatic la 450 nm are o eficien luminoas maxim de numai 26 lm/W.

K [lm W ] =

ar14

Eficiena luminoas a radiaiei monocromatice K() la o anume lungime de und este prezentat n figura 3-1, i se definete ca K() = Km*V(), unde Km = 683 lm/W, i V() este funcia de luminozitate standard. K() reprezinta maximul teoretic al eficienei sursei de lumin la o lungime de und dat.

e-

K m S ( )V ( )d

le S ( )d

Una din principalele caracteristici ale unei surse de lumin o reprezint eficiena luminoas (lm/W): eficiena conversiei din putere electric (W) n putere optic (W), combinat cu eficiena conversiei din putere optic (W) n flux luminos (lumen = lm) perceput de ochiul omenesc.

d.

ro

3.1.2.2.

Fig. 3-1. Eficiena luminoas, K(), a radiaiei monocromatice de lungime de und . Mai sunt prezentate i eficiene luminoase ale unor LED-uri monocromatice de cea mai noua tehnologie i diverse tehnologii (sgeile din partea dreapt) Sursa graficului: M.G. Craford, LumiLeds. Prin urmare, pentru a produce o eficien luminoas mrit, distribuia spectral de putere a sursei de lumin S() va trebui s acopere ct mai bine cu putin eficiena luminoasa a viziunii fotopice V(). Diferena dintre eficiena luminoas a unui emitor de band larg i a unuia de band ngust este descris de ecuaia descris mai devreme:

Momentan, eficiena luminoas pentru LED-urile albe este de ordinul 25 lm/W. inta acestei tehnologii este s se ajung la 150 lm/W pn n 2012, i 200 lm/W pn n anul 2020. Ca o comparaie,eficiena luminoas a surselor de lumin incandescente i flourescente sunt de 16 lm/W respectiv de 85 lm/W, care sunt de 10 ori, respectiv de doua ori mai mici dect ceea ce este anticipat pentru 2012 n cazul LED-urilor SSL. Vederea fotopic Vederea fotopic reprezint tipul de vedere al ochiului n condiii de iluminare foarte bun. La om i la multe animale, vederea fotopic permite percepia culorilor. Aceasta este mediat de celulele de tip con. Ochiul omenesc utilizeaz trei tipuri de conuri pentru a percepe lumina n trei benzi de culori. Pigmenii naturali ai conurilor au valori maxime de absorbie la lungimi de und de aproximativ 420 nm (albastru), 534 nm (verde albstrui), respectiv 564 nm (verde glbui). Ariile lor de sensibilitate se suprapun astfel nct se asigur vederea ntregului spectru de culori. Eficiena maxim este de 683 de lumeni per Watt la o lungime de und de 555 nm(verde).15

Ilu

Dezavantajul major a unui emitor de lumin cu corp negru de band larg const n faptul c emite lumina la anumite lungimi de und la care eficiena luminoas a viziunii fotopice este aproape zero. Principalul i marele avantaj al unui emitor de lumin de band ngust este faptul c poate fi setat astfel nct s emit lumina la anumite lungimi de und unde eficiena luminoas a vederii fotopice este mare.

m in

ar

e-

K [lm W ] =

K m S ( )V ( )d

le S ( )d

d.

ro

Se poate reveni la graficul din figura Fig. 2-6 pentru a observa aceste valori. Se poate aduga faptul c ochiul omenesc utilizeaz vederea scotopic n condiii de iluminare slab i vederea mesopic n condiii intermediare. 3.1.2.3. Durata de via

O caracteristic primar i foarte important a unei surse de iluminat o reprezint durata de via a acesteia. Aceasta poate fi definit n mai multe feluri, depinznd de sursa de lumin. n eraincandescent a lui Edison, durata de via era definit ca fiind momentul n care 50% din becuri cedeaz. n cazul LED-urilor SSL, durata de via poate fi considerat uneori durata medie dinainte de cedare, dar recent este considerat ca fiind 50% din nivelul de depreciere a lumenului. Duratele de via pentru LED-urile SSL sunt lungi, ceea ce reprezint un factor important n ceea ce privete intrarea LED-urilor pe piaa aplicaiilor de semnalizare (semafoare, afiaje, automatizri), care au costuri mari pentru munca de nlocuire (manopera) i consecine majore n ceea ce privete sigurana n cazul n care cedeaz. Desigur c, preul siguranei i cel al nlocuirii variaz mult cu aplicaia n care sunt folosite LED-urile, i acest fapt determin un spectru de nevoi pentru durate de via variate. Pentru utilizarea dominant a luminii albe, n cazul iluminatului industrial i de birou, o durat de via de 20.000 de ore poate fi considerat foarte lung. ntr-un birou tipic, unde un bec poate fi utilizat i 60 de ore pe sptmn, 50 de sptmni pe an, 20.000 de ore corespund unei durate de via de 7 ani. Totui, ntr-o fabric ce funcioneaz n regim 24/7, 20.000 de ore ar corespunde unei durate de via de 2.3 ani. 20.000 de ore ns era durata de via a LED-urilor SSL n anul 2007, iar n 2012 va fi de peste 100.000 de ore, ceea ce nsemna practic c nu se vor mai nlocui becurile sau neoanele de cte ori acestea se ard. Coroborat cu consumul extrem de redus de electricitate, nu numai c se va amortiza cheltuiala, dar se va iei i n ctig.

Economia de energie: Randamentul sistemelor de iluminat cu LED-uri este superior lmpilor cu incandescen i respectiv lmpilor cu descrcare n gaz adic, la aceeai putere consumat produc cu mult mai mult lumin sau, altfel spus, pot produce aceeai lumin ca i lmpile obinuite la o putere consumatmult mai mic, economisindu-se astfel energia i reducnd factura de energie electric cu 50-80%. Durata de via: Dispozitivele LED clasice au o durata de via de 100.000 ore, pentru o scderea gradului de iluminare la 80%, iar pentru modulele cu LED-uri nglobate n corpurile de iluminat, se garanteaz minim 50.000 ore. Aceast durat de via foarte ridicat a CILED conduce la costuri reduse de mentenan a sistemului de iluminat i ofer oportunitatea reducerii costurilor reale de investiii. Spre comparaie, lmpile cu incandescen au o durata de 1.000-2.000 ore, iar lmpile compacte fluorescente ajung la 8.000 15.000 ore. Eficiena luminoas 80 Lm/W: Sistemele cu LED-uri produc mai mult lumin pe watt consumat dect lmpile obinuite. Controlul strict al dispersiei luminii realizat prin sistemul optic cu lentile pentru focalizarea fasciculului de lumin de form dreptunghiular asigur nepoluarea16

Ilu

3.1.3.

Avantajele iluminatului cu LED

m in

Aceast cifr, de 100.000 de ore ca durat de via, va satisface pn i cele mai solicitante aplicaii, ns o durat de via de peste 20.000 de ore este mai mult dect suficient pentru marea majoritate a aplicaiilor.

ar

e-

le

d.

ro

luminoas. Lentilele au rolul de a reduce pierderile de lumin i elimin riscul de orbire provocat de strlucirea luminilor. Culoarea: Sistemele cu LED-uri pot emite nuana de lumin - culoarea dorit fr utilizarea unor filtre de culoare. Lumin cald, neutr sau rece obinut, este foarte apropiat de lumina natural, arat adevrata culoare a obiectelor i sporete confortul i vizibilitatea pe timp de noapte. Timpul de pornire-oprire: din momentul alimentrii, CI-LED lumineaz practic instantaneu la intensitate maxim fr a avea ntrzieri i suport foarte bine regimurile pornit-oprit, spre deosebire de lmpile cu vapori metalici sau cele cu vapori cu sodiu. Tensiunea de alimentare: CI-LED lucreaz la o tensiune de alimentare n gama 85-264Vca Intensitatea luminoas: Fiecare modul cu 28 LED-uri are o intensitatea luminoas constant indiferent de fluctuaiile tensiunii de reea. Factorul de putere: Sistemele CI-LED au factorul de putere mai mare de 0,98 [acesta este 0,5 pentru lmpile cu sodiu] ceea ce reduce substanial pierderile suplimentare n reea i se obine reducerea consumului de energie electric. Radiaii: CI-LED nu emite ultraviolete i radiaii infraroii. Design-ul CI-LED: Structura modular a sursei de iluminat (modul 28 de LEDuri + Lentile) permite o ntreinere uoar dar i o construcie simpl a CI-LED acesta avnd o form aerodinamic, greutate sczut i rezisten sporit la impact i oc. Performanele CI-LED depind de temperatura mediului ambiant. Din aceast cauz corpurile de iluminat public cu LED includ un radiator de aluminiu pentru rcirea modulelor, obinndu-se astfel un nivel de eficien ridicat. Impactul asupra mediului: Implementarea soluiilor cu LEDuri pentru iluminat implic i o serie de beneficii n domeniul mediului i dezvoltrii durabile:

- n construcia i utilizarea LED-urilor nu se folosesc materiale toxice precum mercur, plumb sau tungsten spre deosebire de tuburile fluorescente, lmpile cu vapori de mercur i cele de sodiu, respectiv cele cu incandescen n concluze, CI-LED au un preul relativ mare pe unitatea de produs, dar dac se ia n considerare durata lor de via de peste 3 ori mai mare i economia de energie de peste 50%, se constat c iluminatul cu LED este competitiv fa de celelalte tipuri de iluminat.

3.2.3.2.1.

Panoul fotovoltaicCelula solar

O celul solar const din dou sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai ntlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprins ntre 0,001 i 0,2 mm i sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonciuni p i n. Aceast structur e similar cu a unei diode. Cnd stratul de siliciu este expus la lumin se va produce o agitaie a electronilor din material i va fi generat un curent electric.17

Ilu

- Durata de via de 3 ori mai mare duce la reducerea deeurilor provenite de la lmpile uzate

m in

- Consumul redus cu peste 50% contribuie la reducerea polurii i la conservarea combustibililor fosili innd cont c peste 70% din energia electric consumat n Romnia este produs prin tehnologii de ardere a cobustibililor fosili cu efecte dezastruoase asupra mediului

ar

e-

le

d.

ro

Celulele, numite i celule fotovoltaice, au de obicei o suprafa foarte mic i curentul generat de o singur celul este mic dar combinaii serie, paralel ale acestor celule pot produce cureni suficient de mari pentru a putea fi utilizai n practic. Pentru aceasta, celulele sunt ncapsulate n panouri care le ofer rezisten mecanic i la intemperii. 3.2.1.1. Clasificarea celulelor solare

Celulele solare pot fi clasificate dup mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este dup grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros i celule cu strat subire. Un alt criteriu este felul materialului: se ntrebuineaz, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinaiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul. Dup structur de baz deosebim materiale cristaline (mono-/policristaline) respectiv amorfe. n fabricarea celulelor fotovoltaice pe lng materiale semiconductoare, mai nou, exist posibiltatea utilizrii i a materialelor organice sau a pigmenilor organici. n funcie de materialele folosite n procesul de fabricaie celulele solare pot fi:

1. Celule pe baz de siliciu 1.1 Strat gros 1.1.1 Celule monocristaline (c-Si) Randament mare - n producia n serie se pot atinge pn la peste 20 % randament energetic, tehnic de fabricaie pus la punct; totui procesul de fabricaie este energofag, ceea ce are o influen negativ asupra perioadei de recuperare (timp n care echivalentul energiei consumate n procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generat); 1.1.2 Celule policristaline (mc-Si) La producia n serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie n procesul de fabricaie, i pn acum cu cel mai bun raport pre performan. 1.2 Strat subire 1.2.1 Celule cu siliciu amorf (a-Si) Cel mai mare segment de pia la celule cu strat subire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu exist strangulri n aprovizionare chiar i la o producie de ordinul TeraWatt; 1.2.2 Celule pe baz de siliciu cristalin, ex. microcristale (c-Si) n combinaie cu siliciul amorf dau randament mare; tehnologia e aceeai ca la siliciul amorf. 2. Semiconductoare pe baz de elemente din grupa III-V Celule cu GaAs Randament mare, foarte stabil la schimbrile de temperatur, la nclzire o pierdere de putere mai mic dect la celulele cristaline pe baz de siliciu, robust vizavi de radiaia ultraviolet, tehnologie scump, se utilizeaz de obicei n industria spaial (GaInP/GaAs, GaAs/Ge). 3. Semiconductoare pe baz de elemente din grupa II-VI Celule cu CdTe Utilizeaz o tehnologie foarte avantajoas CBD(depunere de staturi subiri pe suprafee mari n mediu cu pH , temperatur i concentraie de reagent controlate) ; n laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate pn acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoate fiabilitatea. Din motive de protecia mediului este improbabil utilizarea pe scar larg.

Ilu

m in

ar18

e-

le

d.

ro

4. Celule CIS, CIGS CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs n staie pilot la firma Wrth Solar n Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell n Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs n staie pilot n Uppsala/Suedia. Productorii de mai sus promit trecerea la producia n mas n anul 2007. 5. Celule solare pe baz de compui organici Tehnologia bazat pe chimia organic furnizeaz compui care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezint, totui, un impediment faptul c aceste celule au un randament redus i o durat de via redus (max. 5000h). 6. Celule pe baz de pigmeni Numite i celule Grtzel utilizeaz pigmeni naturali pentru transformarea luminii n energie electric; o procedur ce se bazeaz pe efectul de fotosintez. De obicei sunt de culoare mov. 7. Celule cu electrolit semiconductor De exemplu soluia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte uor de fabricat dar puterea i sigurana n utilizare sunt limitate. 8. Celule pe baz de polimeri Deocamdat se afl doar n faz de cercetare.

Celulele solare pe baz de materiale semiconductoare utilizate pentru producerea de energie electric sunt legate n module. Pe un modul se afl mai multe rnduri de celule solare conectate n serie ntre ele pe faa i pe spatele modulului permind, datorit tensiunii nsumate, utilizarea unor conductori cu seciune mai mic dect la legarea n paralel. Pentru protejarea unei celule solare mpotriva efectului de avalan n jonciune, datorat potenialului mai mare (aprut de exemplu la umbrirea parial a modulului), trebuie incorporate paralel cu celulele solare diode de protecie(bypass). Sistemele de panouri solare sunt nzestrate uneori cu mecanisme de orientare, panoul fiind n permanen direcionat pentru a exploata la maximum energia solar incident. Randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina solar este de 85 %. Acesta se calculeaz din temperatura suprafeei soarelui(5800 K), temperatura maxim de absorbie(86% Dimensiuni: 11x11x11 open frame

Fig. 4-8. DCCC 2415 realizat la ICPE

4.1.4.

Alegerea bateriilor

n momentul acesta tim care este sarcina noastra: Pbec[W]= x W (de exemplu: lampa de iluminat IPL-2M 56 W). Pentru a afla necesarul de energie ce trebuie furnizat de ctre baterie trebuie s tim cte ore trebuie ca LED-urile noastre s lumineze, n funcie de anotimp. Pentru aceasta vom folosi sit-ul http://www.gaisma.com/ si am luat generic orasul Bucuresti. Pentru capitala putem observa un minim al luminii solare si un maxim al orelor de noapte in luna decembrie. Astfel ne vom folosi de valoarea de aproximativ 14 ore, timp in care lampa trebuie sa functioneze, in conditiile in care lumina solara este la un nivel minim (lumina afara-pe un cer nu lipsit de nori- intre orele aproximativ 7:30-16:30).

Ilu

m in

n funcie de cerinele beneficiarului i de tipul spaiului ce urmeaz a fi luminat, se poate merge de la lmpi de iluminat cu un singur bloc de LED-uri de 28 W (pentru o curte privat, parcare, ntr-un parc sau pentru o zon pietonal), la lmpi cu dou blocuri LED de 28 W (n total 56 W) pentru aplicaii de tip strzi circulate i pn la lmpi cu 4 sau 6 blocuri LED de 112 W respectiv 168 W pentru autostrzi i aplicaii industriale.

ar39

e-

DCCC 2415 este integrat n carcas i este parte component a lmpii. Acesta a fost realizat special de ICPE Inginerie Electric pentru aplicaiile solare.

le

d.

ro

Fig. 4-9. Graficul orelor de zi (galben) i noapte (gri) n decursul unui an calendaristic pentru Bucureti obinut de pe gaisma.com; pe abscis sunt notate lunile de la ianuarie la decembrie, iar pe ordonat sunt notate orele de la 0 la 24. Astfel, teoretic, cea mai mare energie consumat de sistem ar fi n luna decembrie i ar avea valoarea Emax[W] = Pbec[W]*Tmax[h]. Pentru lampa IPL-2M am avea Emax=56*14=784 W. Foarte rar un productor de sisteme de sine stttoare va spune c sistemul su funcioneaz 14 ore. n general se alege o valoare medie global (n general 9 ore) i se asigur de asemenea un backup de un numr de zile. ns consumul nu se rezum doar la cei 56 W pe care i consum doar blocul de LED-uri efectiv. Pe lng acesta mai sunt pn la baterii convertorul DC-DC, cablurile i charger-ul care mai contribuie cu o cretere n consum.Puterea de la panou cu pierderi n sistem de 14%

ar40

e-

Din baterie se va consuma Se impune tensiunea sistemului la Din baterie se vor consuma Se impune nr de zile fara soare Capacitatea bateriei de 24 V ar fi Se impune nivelul de descarcare maxim admis al bateriei la Capacitatea necesar pt ca bateria de 24 V sa fie descarcata la nivelul admis Se impune un factor de siguranta de Capacitatea corectata cu factorul de sig

Ilu

Putere pe LED = P iesire DC driver eta dc driver(include pierdere pe firele de la bat la dc driver) Putere intrare dc driver Se impun

m in

Tabelul 4-1 Calculul bateriei Am realizat tabelul 4-1 pentru a mi uura munca n dimensionarea bateriilor. Parametrii cei mai interesani sunt orele de funcionare impuse i numrul de zile fr soare, adic backup-ul.

le

0,86 65,11628 W 14 ore de functionare in medie intr-o zi 911,6279 Wh intr-o zi < decat ce se primeste in medie de la panou 24 V 37,984496 Ah intr-o zi 3 zile 113,95348 adica bateria se descarca pana la 60% (100 - nivelul setat)% 189,92248 Ah 3% 195,6201 Ah

d.56 W

1510 Wh intr-o zi

ro

Primul cmp al tabelului, Puterea de la panou cu pierderi n sistem de 14% reprezint energia medie de la soare pentru dou panouri de 250 W, pe care am explicat n capitolul 4.1.5 cum o determin. Aceast valoare se folosete doar pentru comparaie. Cmpul Puterea pe LED se poate modifica n funcie de lamp, restul valorilor depinznd de aceasta. DC Driver-ul are randamentul de peste 86%; incluznd i pierderile de 1-2% pe cabluri am impus o pierdere fix de 86%. Puterea de intrare DC Driver va fi egal cu raportul dintre puterea puterea pe LED i randament. Consumul se calculeaz prin produsul dintre puterea de intrare DC Driver i orele impuse de funcionare pentru o zi. Calculul capacitii bateriei incluznd i backup-ul se face nmulind consumul pentru o zi cu numrul de zile de backup dorite. ns bateriile nu pot fi descrcate 100%, ci trebuie aleas o valoare convenabil de descrcare care ar permite un numr ct mai mare de cicluri ncrcare/descrcare. Am ales valoarea 60%, adic n baterie s mai rmn 40% din capacitate. Lund n considerare i faptul c n timp caracteristicile bateriilor se modific, am inclus i un factor de siguran de 3%.

Fig. 4-10. Caracteristicile bateriilor Caranda Solar raportate la o celul. Daca vom folosi 2 baterii de 12V inseriate inseamna c vom avea o tensiune de 24V. Am folosit baterii de la firma Caranda, care au caracteristicile din figura 4-10.41

Ilu

m in

ar

e-

le

d.

ro

Din graficul caracteristici de descrcare se poate observa curba de descrcare pentru baterii pentru o utilizare de pn la 20 ore. Capacitatea minim a bateriilor va trebui sa fie CA = 195,620 Ah. n concluzie se vor alege dou baterii de 200 Ah SOLAR12-200. 4.1.5. Alegerea panoului

Panoul solar se alege cu ajutorul sit-ului http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/. Aplicaia oferit de Uniunea European permite estimarea energiei obinute folosind un anumit panou (cu diferite caracteristici) ntr-o anumit zon geografic. Cele mai importante variabile sunt Estimated system losses Pierderile estimate n sistem i Slope panta la care va fi montat panoul. Pentru a putea calcula puterea peak a panoului trebuie mai nti s estimm pierderile n sistem.

Fig. 4-11. Meniul de selecie a parametrilor pentru calcularea panoului fotovoltaic. Randamentul injectorului de curent este 1=90%.42

Ilu

m in

ar

e-

le

d.

ro

Randamentul chargerului este 2=98%. Pierderile n cablu sunt aproximativ 3%, rezultnd un randament 3=97%. 1*2*3=> =85,54% Putem estima pierderile n sistem la 14%. Panta o putem modifica la 450, un unghi potrivit att pentru var ct i pentru iarn.

Ed: Producia medie zilnic de electricitate pentru sistemul dat (kWh) Em: Producia medie lunar de electricitate pentru sistemul dat (kWh) Hd: Suma zilnic medie de iradian global pe metru ptrat recepionat de modulele sistemului dat (kWh/m2) Hm: Suma medie de iradian global pe metru ptrat recepionat de modulele sistemului dat (kWh/m2) Din tabel se poate observa c n luna decembrie se produce un minim de 1560 Wh. Avnd n vedere consumul de 56 W al becului ajungem la concluzia c n luna decembrie sistemul cu panouri de 1 kWh poate sa alimenteze sarcina timp de aproape 24 de ore. Avnd 14 ore de noapte n luna decembrie (adic mai mult de jumtate din ct ar lumina sistemul de 1 kWh) nseamn c avem nevoie de jumtate din puterea estimat. Rezult c avem nevoie de dou panouri de putere peak 250 W, cum ar fi FVG 60-156. n acest mod se poate realiza estimarea oricarui sistem, cunoscnd a priori ct va consuma sarcina i ct de fiabil trebuie s fie sistemul. ntr-un sistem care ilumineaza un drum nu pot exista concesii. n schimb dac este vorba de un parc sau un proiect privat, avnd n vedere resursele limitate ale beneficiarului acesta poate opta pentru un sistem care s nu funcioneze neaprat 14 ore n luna decembrie, realiznd astfel o economie considerabil.43

Ilu

m in

ar

n urma acestor modificri rezult pentru Bucureti la un sistem de panouri de 1 kWp tabelul din figura 4-12.

e-

Fig. 4-12. Tabelul cu energia produs pentru un sistem de 1 kWp.

le

d.

ro

4.1.6.

Alegerea chargerului

n toate sistemele realizate am utilizat chargere de la firma Steca Solar (http://www.stecasolar.com), n special modelul MPPT 2010. Acesta are avantajul c poate fi programat folosind telecomanda Steca PA RC100 (din poza de mai jos) n cazul n care pragurile de oprire/pornire nu sunt corespunztoare, ntruct acest charger folosete tensiunea de pe panou pentru a face distincia ntre noapte i zi. n tabelul de mai jos sunt trecute caracteristicile din fabrica ale chargerului MPPT 2010.

Fig. 4-13. Steca PA RC100

Bat este tipul de baterie, care poate fi Liquid sau Gel. SOC reprezinta starea de incarcare. Night reprezinta lumina de noapte.

Float, Equal si Boost sunt parametri de incarcare. LVD este tensiunea la care se deconecteaza sarcina. LVR este tensiunea la care se reconecteaza sarcina. Modificnd valorile LVD i LVR se pot schimba tensiunile pentru care se aprinde i se stinge lampa.

Ilu

Chargerul permite instalarea unui sistem de panouri de maximum 500 W. Curentul maxim de intrare este de 18A iar voltajul maxim n circuit deschis este VocMAX= 100V. Panourile FVG 60-15644

m in

ar

Fig. 4-14. MPPT 2010

e-

le

d.

ro

Bat Liquid SOC 0 Night OFF Float 13,9 (27,8) V Boost 14,4 (28,8) V Equal 14,7 (29,4) V LVD 11,6 (23,2) V LVR 12,4 (24,8) V Tabelul 4-2. Caracteristicile chargerului MPPT 2010.

au un curent maxim de 8,10A i tensiune maxim n circuit deschis Voc=37,95V, ncadrndu-se n limitele de operare ale chargerului. 4.1.7. Concluziile dimensionrii

Astfel, se poate realiza un sistem de sine stttor care s ilumineze n mod automat aproape fr ntrerupere 365 de zile n nite condiii stricte de iluminare a unei strzi circulate de automobile. Se pot realiza astfel oricte aplicaii de iluminat autonome. Folosind dou baterii de 200 Ah si dou panouri de 250 W se ajunge la nite costuri foarte mari, motiv pentru care majoritatea beneficiariilor fac concesii. Chiar i n cazul sistemului pe care l-am dimensionat nu s-a putut realiza o iluminare de 100%, deoarece asta ar fi depit specificaiile mai multor componente, luminnd 12 ore din 14 cu un backup de 3 zile. n realitate, se pornete de la valoarea medie de luminare de aproximativ 9 ore i se alege un numr convenabil de zile de backup.

4.2.

Studiul de caz

Am redenumit Ground Element 1 n Beton i am modificat n tab-ul Surfaces materialul n Concrete. Apoi am modificat Exterior Scene 1 numind-o Primaria iar sub tab-ul Maintenance plan method am modificat valoarea de referin la Exterior installation, 3-year maintenance cycle.. Pentru Luminaire am ales din My Database sub productorul ICPE lampa ICPE IPL-1M-120x60. n partea din dreapta a ecranului avem posibilitatea de introducere de elemente. Am ales astfel Insert ground elements i am introdus din categoria Object files / Outdoor / Building / Town houses cldirea old building3 care se aseaman cu cldirea real. Tot n dreapta ecranului se poate alege Insert Line Arrangement. Am ales aceasta opiune ntruct cei doi stlpi trebuiau montai simetric. Dup rotirea liniei astfel nct s fie paralel cu cldirea primariei, sub tab-ul General se modific parametrul Quantit la 2, deoarece vom instala 2 stalpi. Sub tab-ul Mounting Height am modificat Mounting Type la User defined cu valoarea 4.000 m deoarece se vor folosi stlpi de 4 m.45

Ilu

S-a mers pe varianta unei lmpi cu un singur bloc de LED-uri cu puterea de 28 W pentru consum sczut. Am importat astfel n My database... fiierul IPL-1M-120X60.ies corespunztor lmpii de 28 W.

m in

Dup pornirea programului DIALux am ales varianta New Exterior Project.

ar

4.2.1.

Dimensionarea n DIALux

e-

Pentru studiul de caz am ales proiectul realizat pentru primria municipiului Clrai, n spe doi stlpi montai n faa primriei, pe marginile exterioare. Cerina a fost pentru un sistem care s funcioneze bine i s aib un cost sczut. Din aceste considerente, sistemul a fost creat pentru a oferi o funcionare n parametri optimi undeva la 90% din timp, cu riscul unor scurte perioade de nefuncionare pe durata iernii.

le

d.

ro

Fig. 4-15. Tab-ul General.

Fig . 4-16. Simularea situaiei reale

Dup simularea situaiei ajungem la o simulare tridimensionala a situaiei create. Avnd n vedere faptul c primria este luminat n fa cu un sistem clasic (element neinclus n simulare nu era necesar n cazul de fa) putem trage concluzia c rezultatul este satisfctor. Raportul emis de DIALux ne prezint toate informaiile necesare pentru a realiza mai departe proiectarea.

Fig. 4-17. Caracteristica polar a curbei de distribuie a luminii.

Ilu

m in46

ar

e-

le

d.

ro

Fig. 4-19. Distribuia luminii n jurul lmpilor (greyscale).

Ilu

m in47

ar

Fig. 4-18. Diagrama de luminan.

e-

le

d.

ro

Fig. 4-20. Distribuia luminii n jurul lmpilor (isolines).

4.2.2.

Stlpul de iluminat

Ilu

Fig. 4-21. Sistemul de prindere a stlpului n beton.

m in

Stlpul are un sistem de prindere n fundaie de beton.

ar48

Stlpul susine panoul fotovoltaic, lampa de iluminat i o cutie. n aceast cutie sunt introduse bateriile i chargerul. Cutia este sigilat i protejeaz bateriile i chargerul mpotriva intemperiilor. De asemenea, pentru deschiderea acesteia se folosete o cheie speciala. Cablurile de la panou i de la lamp trec prin interiorul stlpului.

e-

le

d.

ro

n urma calculelor realizate de DIALux Lmax = 3.33 cd/m2, unde Lmax reprezint iluminarea maxim, o valoare suficient pentru cerinele date.

Fig. 4-22. Schema final a stlpului de iluminat public montat la Clrai.

Ilu

m in49

ar

e-

le

d.

ro

4.2.3.

Lampa de iluminat

Dupa cum am spus de la nceput, lampa folosit a fost ICPE IPL-1M-120x60, al crei bloc de LED-uri are fluxul luminos de 1966 lm i puterea de 28 W. Blocul este alimentat de convertorul DC-DC DCCC 2415 despre care am vorbit n capitolul 4.1.3.

Pentru acest pas am folosit site-ul http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ aa cum am artat mai devreme. Am ales oraul Clrai, pierderile estimate le-am lasat la 14% iar panta la 450. Din tabelul din figura 4-24 se poate observa c valorile difer fa de Bucureti, ns nu radical. Totui exist o cretere n energia globala. Sarcina noastr este de 28 W. Valoarea minim de iradiere ntr-o zi este n luna decembrie, iar un sistem de panouri de 1 kW poate produce teoretic 1650 Wh. Dac vrem ca sistemul nostru s lumineze noaptea maxim 14 ore, asta va nsemna un consum de 455 Wh. Rezult prin mprirea puterii totale la consumul pentru 14 ore 1650/455=3,62 c s-ar putea monta 4 lmpi la un sistem de 1 kW i acesta ar lumina aproape fr probleme.

Ilu

m in

4.2.4.

Dimensionarea panoului fotovoltaic

ar50

e-

Fig. 4-23. Lampa de iluminat IPL-1M.

le

d.

ro

Fig. 4-24. Tabelul cu energia produs pentru un sistem de 1 kWp pentru Clrai. Asta nseamn pentru o lamp un panou de 1000/3,62 = 276 W. Din nefericire cerina expres a beneficiarului este aceea de reducere ct mai mare a costurilor, motiv pentru care ncercm o dimensionare cu panouri mai economice de 185 W.

Fig. 4-25. Tabelul cu energia produs pentru un sistem de 185 Wp pentru Clrai. Tabelul care rezult pentru un panou de 185 W din figura 4-25 ne arat faptul c n lunile ianuarie i decembrie Ed