Projekt ulicznej lampy hybrydowej

IŚ02

I. Wstęp

Wykorzystanie energii odnawialnej z hybrydowych systemów zasilania jest kluczowe jeśli chodzi o warunki meteorologiczne panujące w Polsce. Nasz kraj ma jedynie 1,5 PSH (Pick Sun Hours - średnia godzin słonecznych w przeliczeniu rocznym), a w okresie zimowym ilość docierającego do baterii solarnych światła jest zbyt mała, by móc opierać się jedynie na energii słonecznej. Jeśli jednak połączyć moc energii słonecznej z mocą wiatru, można stworzyć urządzenie, które będzie w pełni autonomiczne i niezależne od zewnętrznych źródeł zasilania. Średnia prędkość wiatru w Polsce wynosi 4,6-4,7 m/s, jest to prędkość wystarczająca do pracy niewielkiej turbiny wiatrowej. 
Poniższy projekt oparty jest na dokładnych danych meteorologicznych miasta Krakowa (φ=50,08°) - proponowana lampa hybrydowa ma zadanie całoroczną pracę w tym właśnie mieście , całkowicie niezależnie od sieci energetycznej.

II. Sposób działania

Hybrydowe lampy słoneczne działają w oparciu o elektryczność wygenerowaną przez panele słoneczne, oraz energię wiatru przy użyciu silników wiatrowych. Połączenie to sprawia, że systemy są bardziej praktyczne w stosunku do systemów oświetleniowych opierających się jedynie na energii słonecznej. Hybrydowe zasilane jest wyposażone w akumulatory żelowe, pozwalające na nieprzerwane działanie od trzech do pięciu dni, niezależnie od warunków atmosferycznych. Rozwiązanie to pozwala na 10-14 godzin oświetlenia na dobę - co w naszej szerokości geograficznej Krakowa oznacza funkcjonalność nawet w najkrótsze dni w roku.

Hybrydowa metoda oświetlenia eliminuje konieczność budowy ziemnych łączy elektrycznych, które są typowe dla konwencjonalnych systemów oświetleń.

Przedstawiona lampa hybrydowa składa się z turbiny wiatrowej o mocy 600W, dwóch ogniw fotowoltaicznych 48V , akumulatorów wykonanych w technologii VRLA-żel o pojemności 120AH, regulatorów ładowania oraz pozostałych, tradycyjnych komponentów lampy ulicznej, które pominięto w opracowaniu (słup, fundament itp.)

III. Parametry poszczególnych komponentów

Lampa hybrydowa z panelem fotowoltaicznym i turbiną wiatrową.

1. Turbina wiatrowa

Fot.1 Turbina wiatrowa SkyWind 600

Parametry:

Rodzaj generatora	stałowzbudny, synchroniczny, bezszczotkowy
Ilość łopat	3
Materiał łopat	stop aluminium
Średnica wirnika [m]	2,4
Współczynnik mocy wirnika	0,30
Powierzchnia zataczana przez wirnik
Bicia osiowe [mm]
Moc znamionowa [W]	600 W
Napięcie znamionowe [V	24 V DC
Prędkość startowa [m/s]	2,5 m/s
Prędkość załączenia [m/s]	2,8 m/s
Prędkość znamionowa [m/s]	10 m/s
Prędkość, przy której rozpoczyna się hamowanie [m/s]	13 m/s
Maksymalna bezpieczna prędkość wiatru [m/s]	35 m/s
Maksymalna prędkość obrotowa wirnika [obr./min.]	600 obrotów /min
Poziom bezpieczeństwa	8
Poziom ochrony	IP 23
Hałas [dB]	55 dB
Zakres temperatur pracy [oC]	od -20oC do +55oC
System hamowania	hamulec mechaniczny i elektroniczny
Projektowana żywotność urządzenia	minimum 10 lat
Masa urządzenia [kg]
Cena	3 699 zł

Kraków, podobnie jak większość obszaru Polski leży w obszarze korzystnym dla energii wiatrowej. Najważniejszą zaletą wiatru w Polsce jest fakt że jego ilość jest większa zimą niż latem, co widać na powyższym wykresie, przedstawiającym uzysk energii z turbiny wiatrowej. Ogromną zaletą wiatru jest jego czas działania. Dzięki temu elektrownia może generować energię nie tylko w ciągu dnia ale także i w nocy, w przeciwieństwie do paneli fotowoltaicznych.

2. Panel fotowoltaiczny

Fot. 2 Panel fotowoltaiczny Q. PEAK S 200

Parametry:

Panel fotowoltaiczny polikrystaliczny Q. PEAK S 200
Moc nominalna P
Moc średnia PMPP
Napięcie obwodu otwartego Uoc
Prąd zwarcia ISC
Napięcie w pkt PMMP
Prąd w pkt PMPP
Sprawność
Wymiary
Powierzchnia
Waga
Cena

W proponowanym projekcie wykorzystano 2 panele fotowoltaiczne Q. PEAK S 200, o łącznym napięciu 48 V, oraz powierzchni .

Jak widać na powyższym wykresie, maksymalny uzysk energetyczny panele osiągają w miesiącach letnich, dlatego dla uzyskania autonomiczności urządzenia, niezbędne jest wsparcie się dodatkowym źródłem zasilania – turbiną wiatrową która wygeneruje dodatkowa energię w miesiącach zimowych zwłaszcza w grudniu i styczniu.

3. Regulator ładowania

Fot. 3 Regulator ładowania Steca Tarom

Parametry:

Typ regulatora: hybrydowy

• Określenie poziomu naładowania przez Steca AtonIC (SOC)

• Automatyczne wykrywanie napięcia 12/24V

• Ładowanie PWM

• Technologia ładowania wielostopniowego

• Odłączanie odbiorników w zależności od SOC

• Automatyczne załączanie po rozłączeniu

• Kompensacja temperaturowa

• Możliwe uziemianie na biegunie + lub –

• Zintegrowany rejestrator danych

• Funkcja włącznika zmierzchowego

• Funkcja samotestująca

• Comiesięczne ładowanie serwisowe

• Zintegrowany licznik amperogodzin

• Cena: 981 zł

Urządzenie wybrane do regulowania ładowania pobiera bardzo małe ilości energii, dlatego można je pominąć w obliczeniach.

4. Akumulator(y)

Fot.4 Akumulator żelowy

TOYAMA NPG 120 12V ( GEL)

Parametry:

Pojemność - 120 Ah

Napięcie - 12 V

Długość -

Szerokość -

Wysokość -

Waga –

Aby otrzymać napięcie 48 V, 2 akumulatory o napięciu 12V zostały ze sobą połączone szeregowo.

Cena dwóch akumulatorów: 2 x 910,00 zł = 1820 zł

5. Odbiornik – Lampa

Fot. 5 Drogowa oprawa LED

WL50-230

Parametry:

Drogowa oprawa LED WL100-230
Moc
Napięcie zasilania
Ilość diod LED
Strumień świetlny oprawy
Wydajność diod LED
Temperatura bary światła:
System optyki
Żywotność diod LED
Wymiary
Waga
Cena

Z uwagi, na bardzo niski stan energii w akumulatorach w miesiącach zimowych, zastosowana lampa w grudniu wykorzystuje połowę całkowitej mocy znamionowej. Działanie to, ogranicza do minimum ryzyko osiągnięcia zerowego poziomu energii w akumulatorach.

IV. Korzyści finansowe

Koszty urządzenia oraz jego instalacji są wyższe niż w przypadku tradycyjnej lampy ulicznej, jednak z punktu widzenia inwestora bardzo przystępne, ponieważ po pierwsze, otrzymuje on dofinansowanie ze środków unijnych (do 85%), a po drugie, ponoszone na późniejsze utrzymanie i eksploatację wydatki są minimalne.

Przyjmując, że standardowa stawka za 1 kWh wynosi 0,42 zł brutto i średni czas świecenia lampy to 13 godzin na dobę, otrzymuje się koszty zużycia energii w kwocie 1992,90 zł. Jako, że wykorzystywana energia w hybrydzie jest darmowa, takie rozwiązanie jest bardzo opłacalne.

Przykładowa wycena oświetlenia ulicznego: standardowego i hybrydowego – koszty całkowite inwestycji

Przedstawiona poniżej przykładowa kalkulacja całkowitych kosztów inwestycyjnych oświetlenia ulicznego: standardowegi i hybrydowego, pozwala na jednoznaczne stwierdzenie, że stosowanie hybrydowych instalacji gwarantuje ogromne oszczędności w perspektywie czasu.

Przykład kalkulacji inwestycji dla drogi długości 1100m

Zaprojektowano 42 punkty oświetleniowe, opcjonalnie: oświetlenie tradycyjne (wykorzystanie istniejącej linii napowietrznej NN, jako źródła zasilania) i oświetlenie hybrydowe ( lampy solarno-wiatrowe).

Obliczenia kosztów inwestycyjnych, przewidywanych kosztów utrzymania oraz możliwości kredytowania danych przedsięwzięć zestawiono poniżej.

Wycena budowy oświetlenia standardowego

Zaprojektowano:

42 tradycyjne słupy oświetleniowe,

1670m kabli oświetleniowych,

16 przewiertów średnio po 10m długości każdy.

385 431, 41 zł- koszt budowy oświetlenia bez odtworzeń

32 000, 00 zł- koszt przewiertów

250 500, 00 zł- koszt odtworzenia nawierzchni

667 931, 41 zł kosztorys inwestorski zbudowania oświetlenia dla 1100m drogi - 42 latarnie tradycyjne.

Koszty obsługi i utrzymania

Latarnie tradycyjne

420, 00 zł miesięczna obsługa latarni [10zł szt.]

1 680, 00 zł koszt zasilania [40zł sztuka miesięcznie]

2 100,00 zł koszt miesięczny

252 000 zł koszt za okres 10 lat

Kredyt na budowę oświetlenia

Latarnie tradycyjne

133 586, 28 zł wkład własny

0, 00 zł kwota dotacji

667 931, 41 zł kwota kredytu

13 358, 63 zł marża banku

681 290, 04 zł wartość pożyczki

9 003, 30 zł rata miesięczna

183 026, 76 zł wartość odsetek

864 316,80 zł całkowity koszt kredytu

Wycena budowy oświetlenia hybrydowego

Zaprojektowano:

42 hybrydowe słupy oświetleniowe

18 000, 00 zł- cena netto 1 sztuki latarni

15 000, 00 zł –cena netto 1 sztuki latarni większe zamówienia)

630 000, 00 zł koszt latarni (42 x15 000, 00zł)

63 00, 00 zł koszt budowy (42x1 500, 00zł)

693 000, 00 zł koszt inwestorski zbudowania oświetlenia dla 1100 m drogi – 42 latarnie hybrydowe

Koszty obsługi i utrzymania

L-ZEN

420,00 zł miesięczna obsługa latarni [10zł szt.]

0, 0 zł koszt zasilania

420,00 zł koszt miesięczny

50 400 zł koszt za okres 10 lat

Kredyt na budowę oświetlenia

L-ZEN

138 600, 00 zł wkład własny

277 200, 00 zł kwota dotacji

277 200, 00 zł kwota kredytu

5 544, 00 zł marża banku

282 744, 00 zł wartość pożyczki

4 076, 16 zł rata miesięczna

108 567, 36 zł wartość odsetek

391 311, 36 zł całkowity koszt kredyt

Podsumowanie kosztów zaprojektowanego urządzenia

Turbina wiatrowa SkyWind 600	3699 zł
Panel fotowoltaiczny polikrystaliczny Q. PEAK S 200 (2 szt.)	2180 zł
Regulator ładowania Steca Tarom	981 zł
Akumulator żelowy Toyama NPG 120 12V (2 szt.)	1820 zł
Drogowa oprawa LED WL100-230	1500 zł
SUMA	10180zł

W podsumowaniu kosztów lampy nie ujęto elementów nie mających bezpośredniego wpływu na wydajność urządzenia (słup, skrzynka instalacyjna, fundament itp).

V. Systemy wiatrowo-solarne, a ochrona środowiska

Zastosowany w zaprojektowanej lampie hybrydowej system posiada szereg zalet, a wśród nich:

-niskie koszty konserwacji

-niskie koszty eksploatacji

-zwiększanie niezależności energetycznej kraju

-obniżenie emisji dwutlenku węgla

-wykorzystywanie wyłącznie energii odnawialnej

-ekologiczność

Wymienione wyżej zalety czynią tego typu rozwiazania wyjątkowo przyjaznymi środowisku. Przy obecnie stale rosnących cenach węgla, ropy oraz gazu, a także problemami związanymi z zanieczyszczeniem środowiska, koniecznym staje się szukanie alternatywnych, ekologicznych źródeł energii, w co systemy hybrydowe wpisują się idealnie.

Zestawienie podstawowych cech standardowego i hybrydowego systemu oświetlenia

Zgodnie z przyjętym w 2007 r. przez UE na szczycie w Brukseli programem ,,3x20'', do 2020 r. udział odnawialnych źródeł energii w ogólnym bilansie energetycznym ma wynosić 20%, redukcja gazów cieplarnianych ma zostać zredukowana o 20%, 20% wynosi także oszczędność energii, jaka ma zostać osiągnięta do 2020 r. Taka sytuacja wymusza również na Polsce zastosowanie na szeroką skalę OZE, z czym wiąże się coraz powszechniejsze wykorzystywanie solarnych i wiatrowych źródeł energii, a co za tym idzie - stopniowy spadek cen systemów hybrydowych oraz zwiększanie opłacalności stosowania takich rozwiązań.

VI. Podsumowanie

Zaproponowana w projekcie lampa hybrydowa dla miasta Krakowa może z powodzeniem stanowić autonomiczne urządzenie oświetlające. Jednak z uwagi na wahania prędkości wiatru w miesiącach zimowych, gdy uzysk energii z paneli fotowoltaicznych jest znikomy, ograniczono zużycie mocy lampy o połowę w grudniu, kiedy to może zaistnieć ryzyko osiągnęcia zerowego stanu energii w akumulatorach. Dobierając poszczególne komponenty urządzenia kierowano się przedewszystkim jakością i niezawodnością, a także na ile to było możliwe - niską ceną, dzięki czemu całkowity koszt lampy nie jest wysoki. Mając na uwadze zwrot kosztów inwestycji po kilku latach przedsięwzięcie jest rentowne. Kraków jest miastem, którego warunki meteorologiczne pozwalają na rozwój energetyki wiatrowo-solarnej.

VII. Bibliografia

1. Ustawa z dn. 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody

2. www.egl-energia.pl
3. www.archigon.pl
4. www.energia-za-darmo.pl
5. www.ogrzewnictwo.pl
6. www.alibaba.com
7. www.freevolt.pl