Сельское хозяйство/2. Механизация сельского хозяйства

УДК629.09(35.5);620.9 (075.8)

В.С. Галущак

Камышинский технологический институт(филиал) ФГБУ ВПО ВолгГТУ

Совершенствование сельского уличного освещения

Вопросы совершенствования систем уличного освещения на селе продолжают оставаться актуальными из-за непрерывно растущих тарифов на электроэнергию и всё увеличивающихся затрат на сооружение питающих линий электропередач. Это тяжёлое бремя ложится на малые бюджеты сельских муниципальных образований, принуждая их снижать качество уличного освещения, а иногда и просто отказываться от него.

Решение этой проблемы, по нашему мнению, лежит в использовании главного преимущества села по сравнению с городом – наличие больших открытых территорий сельских поселений. Это в полной мере позволяет использовать в уличном освещении на селе природную энергию, в частности ветровую и солнечную в сочетании с современными высокоэффективными источниками света - светодиодами.

Светодиод как источник света обладает рядом важных преимуществ по сравнению с обычными электрическими лампами:[1]

- обладают высокой светоотдачей -160 лм/Вт и более;

- имеют недостижимый для других источников света

- парковый ресурс работы - до 100 000 часов;

- прочны, устойчивы к вибрациям, падениям и другим механическим воздействиям;

имеют малые габариты и вес.

Высокая светоотдача (в лабораторных условиях достигнуто значение 400 лм/Вт) позволяют по новому сформировать системы электроснабжения фонарей сельского уличного освещения – перевести их в автономный режим функционирования, при котором в одном устройстве совмещены генерация, накопление и расходование электрической энергии. Такие осветительные устройства позволяет устанавливать их без покупки дорогой электроэнергии, строительства питающих линий электропередач, что особенно важно для полевых станов, отгонных пастбищ и хуторов.

Современные светодиодные модули для уличных светильников при высоте подвеса 10 м обеспечивают освещённость прилегающей поверхности на уровне 15 люкс, что вполне достаточно для выполнения нормируемых показателей для улиц и дорог сельских поселений (Таблица 1) [2].

Таблица 1- Нормируемые показатели для улиц и дорог сельских поселений

Освещаемые объекты	Средняя горизонтальная освещённость, лк
1 Главные улицы, площади общественных и торговых центров 2.Улицы в жилой застройке основные второстепенные (переулки) 3 Поселковые дороги, проезды на территории садовых товариществ и дачных кооперативов	10 6 4 2

Исходя из потребляемой мощности светодиодного модуля 50 Вт, не углубляясь в особенности конструкции, проведём расчёт необходимых энергетических характеристик автономного уличного фонаря с генерацией электроэнергии от ветровой и солнечной энергии.

Общая продолжительность работы уличного фонаря на селе за год, с учетом закатных и рассветных сумерек составляет 3500 часов. При этом среднее число часов работы фонаря в сутки (τ) составит:

τ = 3500/365 =9,58 = 9,6 (час/день)

Необходимое количество электроэнергии для работы светодиодного модуля (Э_см ) в течение года равно:

Э см = 0,05∙3500 = 175 (кВт∙час).

Из-за неравномерности прихода солнечной и ветровой энергии по времени суток и несовпадения времени генерации и времени потребления вся выработанная электроэнергия должна накапливается в буферных электрических аккумуляторах и расходоваться по мере необходимости. Так как в цикле аккумуляторов «заряд»-«разряд» часть электроэнергии теряется, принимаем КПД цикла на уровне 65%. Тогда необходимый объём генерации электроэнергии (Э _ген. ) учётом потерь в аккумуляторе за год составит:

Э _ген = 175/0,65 = 269,2 ≈ 270 (кВт·час).

Учитывая природно- климатические характеристики евроазиатской части России, Болгарии и других стран Евросоюза на широтах 35-55 град. сев. шир. в технических расчётах эскизных проектов за год (8760 часов) могут быть приняты следующие их значения:

- число часов солнечного сияния, час 2200

- уровень инсоляции, J кВт/м² 0,9

- число часов со скоростью ветра более 3 м/сек, час 3500

- соотношение солнечной и ветровой генерации, % 40/60

- число часов перекрёстной генерации, час 700

- число часов гарантированной генерации , час 5000

Конечно, для конкретного места установки автономного уличного фонаря эти показатели должны быть уточнены на основании многолетних наблюдений ближайшей метеостанции.

Исходя из приведенных климатических характеристик рассчитаем мощность солнечной электрогенерирующей части :

Р _солн. = 270∙10³ ∙ 0,4/2200 = 49≈ 50 (Вт).

Исходя из приведенных климатических характеристик рассчитаем мощность ветровой электрогенерирующей части :

Р_ветр. = 270∙10³ ∙ 0,60/3500 = 47≈ 50 (Вт).

Если в качестве преобразователя солнечной энергии используется солнечная батарея с КПД преобразования 18% , то площадь такой солнечной батареи составит :

F сб. = 50/0,9∙10³ ∙0,18 = 0,308 ≈ 0,3 (м²),

Что вполне приемлемо для создания конструкции уличного фонаря.

Если в качестве преобразователя энергии ветра используется ветроагрегат пропеллерного типа с горизонтальной осью. с удельной мощностью выработки электроэнергии на единицу площади ветроколеса 200 Вт/м² , то отметаемая ветроколесом площадь (F₀ ) составит :

F ₀ = 50/200 = 0,25 (м²),

Это соответствует диаметру (d)ветроколеса :

d = = 0,56≈ 0,6 (м)

Что также приемлемо для создания конструкции уличного фонаря.

Исходя из гарантированного числа генерации . определим вероятность (ζ) отсутствующего генерации:

ζ = ( 8760-5000)/8760 = 0,42

По аналогии с применяемым нормативом гарантированного запаса топлива для тепловой электростанции в 14 суток, определим емкость аккумулятора ( Q ), обеспечивающий запас электроэнергии необходимый для гарантированной работы уличного фонаря при отсутствии генерации в течение двух недель :

Q = 0,05∙9,6∙14∙0,42 =2,82 кВт∙час

Примем напряжение аккумулятора 12 В, тогда емкость (Q _а) в ампер –часах составит:

Q _а = 0,05 х14∙ 9,6 ∙0,42∙ 100 = 284, 24 ≈ 300 А·час

Уличные фонари, в составе которых одновременно используется и солнечная батарея и ветргенератор уже изготавливаются и устанавливаются на улицах городов [3]. Автором также предложена конструкция уличного фонаря с солнечной батареей и колеблющейся аэродинамической решеткой, преобразующую энергию ветра в электрическую энергию (рисунок 1) [4].

В то же время в сельской местности уличные фонари находятся без должной охраны, а зачастую и вовсе стоят на отшибе. Это предъявляет особые требования к конструкции фонаря с точки зрения устойчивости против вандализма. Нами разработана высокопрочная конструкция уличного фонаря для села не содержащая хрупких солнечных батарей и ветроколёс, легко

Рис.1 Ветро-солнечный фонарь уличного освещения

Рис.2 Вандалоустойчивый ветро- солнечный уличный фонарь

1-опора,2-электрогенератор,3-аккумулятор, 4-светодиодный модуль, 5-блок управления освещением,6-аэротурбина, 7-«тёплый ящик»,8-дефлектор,9-входная воздушная решётка

повреждаемых посторонними лицами. Конструкция такого фонаря представлена на рисунке 2 [5]. В данной конструкции солнечная электрогенерация достигается за счёт аэробарического эффекта, возникающего о внутренней полости нагретой солнечным излучением опоре. Ветрогенерация осуществляется за счёт вращения аэротурбины под напором воздушного потока, вызванного разряжением в верхней её части, возникающего в дефлекторе в ветреную погоду. В обоих случаях электроэнергию вырабатывает электрогенератор, вращаемый аэротурбиной. В данной конструкции солнечная и ветровая части фонаря надёжно защищены стальным корпусом опоры, а светотехническая часть надёжно скрыта в стальной консоли.

Выводы

1. Общее потребление электроэнергии за год сельским уличным фонарём со светодиодным модулем, обеспечивающим нормативные показатели освещённости сельских улиц более 10 люкс, составляет 175 кВт∙ час. Для надёжного функционирования фонаря при отсутствии солнца и ветра ёмкость аккумулятора напряжением 12В должна быть не мене 300 А∙час.

2. Показано, что в сельском уличном фонаре достаточные мощности устройств преобразования солнечной и ветровой энергии в электрическую составляет 50 Вт и 50Вт соответственно.

3. Созданы конструкции уличных фонарей для села, обладающие высокой стойкость к проявлениям вандализма.

Литература:

1. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. Под ред. А.Э. Юновича.-2-е изд.-М,:ФИЗМАТЛИТ. 2008.-496 с.-ISBN 978-5-9221-0851-5

2. СП 52.13330.2011 Естественное и искусственное освещение /Актуализированная редакция СНиП 23-05-95. Утверждён приказом Минрегионразвития РФ от 27 декабря 2010 г.№783 и введён в действие с 20 мая 2011г.

3. Интернет ресурс: www.polygon.com.ua/news/14.html

4. Уличный светильник с питанием от солнечной и ветровой энергии: Патент РФ / В.С. Галущак, №2 283 985 МПК F 21S 9/02, заявка 200411089 от 09.04.2004. опубликован 20.09.2006.-Бюл.№26

5. Автономный уличный светильник: Патент РФ/ В.С Галущак, А.Г. Сошинов, В.С. Носов, С.С. Кухарек, № 92936 МПК F21K 99/00, заявка 2009142578 от 18.11.2009, опубликован 10.04.2010- Бюл.№10.