Светодиодное освещение с питанием от постоянного тока — это новейшая разработка в длинной линейке революционных технологий, призванных формировать «умные» здания завтрашнего дня.
Многие ученые считают, что перевод области освещения на питание постоянным током является его естественной тенденцией развития, поскольку светодиодная технология стала основным двигателем практически любого нового оборудования, разработанного как для внутреннего, так и для наружного применения.
Повышение эффективности использования энергии и повышение ожидаемого срока службы являются основными экономическими силами, управляющими этим процессом, который, тем не менее, все еще сталкивается со значительными трудностями на этой стадии развития.
Постоянный ток побеждает переменный
Постоянный и переменный ток на протяжении всей истории электроэнергетики переживали различные периоды относительного господства и сосуществования.
С тех пор, как Томас Альба Эдисон начал прямое распределение напряжения на постоянном токе для питания цепей освещения в Нью-Йорке, применение его продолжало расти, несмотря на тот факт, что Джордж Вестингауз продвигал идею Николы Теслы об удобстве переменного тока. Так начался период их совместного использования.
Хотя первые в мире электростанции генерировали постоянный ток с помощью вращающихся динамо-машин, переменный ток в итоге стал доминирующей формой производства, транспортирования и распределения электроэнергии.
Те первые установки постоянного тока, продвигаемые Эдисоном, представляли сложность изменения величины напряжения, что требовало их размещения в одном и том же месте или близко к месту потребления для уменьшения потерь.
Напротив, электростанции переменного тока, поддерживаемые Теслой, могли легко и дешево регулировать напряжение с помощью электрического трансформатора, что позволяло начать передавать электрическую энергию на большие расстояния.
Но во второй половине XX века развитие полупроводников и достижения в области силовой электроники, привели к разработке высокоэффективных полупроводниковых преобразователей (устройств, способных преобразовывать переменный ток в постоянный и наоборот) с затратами, делающими их конкурентоспособными на рынке.
Со временем это изменило способ транспортирования электроэнергии, и теперь высоковольтный постоянный ток (HVDC) считается наиболее технически и экономически целесообразным вариантом для передачи больших объемов энергии, когда необходимо преодолеть большие расстояния. Этой форме передачи способствует использование возобновляемых источников энергии, которые, как правило, находятся далеко от мест потребления.
В электрических сетях уже давно доминируют крупные электростанции, которые распределяют свою энергию по радиальной схеме в окружающие их регионы. Однако рост использования возобновляемых источников энергии означает, что электрические сети в будущем будут более децентрализованными и меньше по масштабу, а электрическая энергия намного чаще теперь будет потребляться там, где она и производится и преимущества переменного тока здесь роли не играют.
Но даже для больших расстояний переменный ток не идеален. Потери при передаче электроэнергии переменным током значительно возрастают. Вот почему в мире строится все больше сложных электрических сетей на основе технологий высоковольтных передач постоянного тока (HVDC).
Строительство линий электропередачи постоянного тока примерно в два раза дороже, чем строительство обычных линий электропередач. Тем не менее, более низкие потери энергии оправдывают эти инвестиции.
Линии HVDC очень надежны. Высокопроизводительная электроника обеспечивает прогресс в преобразовании энергии, преобразуя постоянный ток напряжением до 800 000 В без трансформатора.
Использование постоянного тока означает поиск новых возможностей, потому что то, как в наше время производится, распределяется и потребляется электроэнергия, коренным образом изменилось. Это приведет к далеко идущим изменениям во всех технических областях, включая системы освещения.
Широкая тема сравнения сетей постоянного тока и переменного тока выходит за рамки нашего рассмотрения, но если мы заглянем внутрь коммерческого здания, возможности для распределения постоянного тока станут очевидными.
Постоянный ток низкого напряжения (LVDC)
Электрическая энергия в быту, в коммерческих и административных зданиях, на промышленных предприятиях распределяется по электрическим сетям напряжением переменного тока 380/220 В. Однако все большее количество электроприборов и различной техники требует питания постоянным током.
Компьютерная техника, светодиодное освещение и другие электронные устройства и приборы работают на постоянном токе и поэтому нуждаются в выпрямителях для его получения из переменного тока.. В последние годы к этой тенденции присоединились и электромобили.
В промышленном оборудовании все чаще используются частотные преобразователи, преобразующие постоянное напряжение сети электроснабжения в постоянный ток. Из этого постоянного напряжения частотный преобразователь создает новую трехфазную сеть с переменным напряжением и переменной частотой для трехфазного двигателя.
Появление новых электрических сетей постоянного тока стимулировало разработку инновационных низковольтных систем и компонентов электроснабжения постоянного тока (Low voltage direct current, LVDC), которые уже применяются в системах освещения и центрах обработки данных (ЦОД).
Системы преобразования переменного тока в постоянный имеют более высокие потери, чем системы преобразования постоянного тока в постоянный. Поэтому внедрение систем LVDC сравнительно более эффективно, чем традиционные системы распределения переменного тока.
Массовая интеграция систем распределения LVDC значительно сократит потери энергии и повысит эффективность конечных потребителей энергии.
Обычно мощность постоянного тока преобразуется в мощность переменного тока и эти преобразования, как правило, представляют потери мощности, которые в конечном итоге влияют на эффективность системы электроснабжения.
Преимущества использования постоянного тока низкого напряжения в системах электроснабжения:
- Распределение электроэнергии на постоянном токе по своей сути более эффективнее переменного тока, потому что в постоянном токе нет реактивной составляющей;
- Нагрузки постоянного тока могут составлять около 50 % нагрузок всего здания, а так как большинство источников питания электронной техники используют топологию двухступенчатого преобразования (первый AC-DC а затем DC-DC), то питая нагрузки постоянного тока с использованием системы распределения постоянного тока позволяет избежать ненужной стадии преобразования переменного тока в постоянный и, следовательно, позволяет увеличить общую эффективность системы;
- Наличие распределенных источников энергии, так как фотоэлектрические панели и топливные элементы, которые являются источниками постоянного тока. Следовательно, сеть LVDC более удобна для распределения вырабатываемой энергии источниками постоянного тока. Эффективность и энергосбережение увеличиваются еще больше, если энергия, вырабатываемая распределенными источниками, используется для питания потребителей постоянного тока;
- Типовые системы накопления энергии - аккумуляторные батареи и суперконденсаторы также являются устройствами постоянного тока и их использование в сети LVDC позволяет уменьшить этапы преобразования и, следовательно, повысить общую эффективность системы.
- Недавний рост исследований, разработок и внедрение станций зарядки электромобилей, показывает тенденцию, в которой электромобили быть широко интегрированы в электрическую сеть, что увеличит нагрузки постоянного тока.
Осветительные сети на постоянном токе
Движимый стоимостью энергии, сектор осветительной промышленности выполняет миссию энергоэффективности, восходя более чем полвека назад к широкому внедрению люминесцентного освещения в коммерческих условиях и серьезно выигрывая в 1980-х годах с разработкой компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), а затем в 1990-х годах светодиодных источников света.
Однако становится все более очевидным, что минимизация энергопотребления выходит далеко за рамки самого источника света. Действительно, эффективность систем освещения очень сильно зависит от применения современных средств управления освещением, которые могут увеличить экономию энергии благодаря использованию датчиков освещенности и датчиков движения.
Минимизация преобразования энергии может сэкономить энергию в любой электрической системе, а светодиодное освещение хорошо сочетается с сетью постоянного тока, а также с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные фотоэлектрические панели.
Электрические сети могут питаться от постоянного тока либо за счет централизованных блоков преобразования переменного тока в постоянный, либо за счет возобновляемых источников энергии — в основном фотоэлектрических панелей, либо систем накопления энергии — аккумуляторных батарей, аккумуляторов электромобилей и т. д. — либо от сочетания всех их.
Сети постоянного тока могут обеспечить значительную экономию энергии, особенно в сочетании с эффективными светодиодными источниками света.
Есть две основные причины, по которым сейчас может наступить самое лучшее время для распределения электроэнергии постоянного тока в зданиях:
- Во-первых, можно свести к минимуму количество преобразований мощности с потерями с помощью сети постоянного тока.
- Во-вторых, возобновляемые источники, такие как солнечные батареи, производят энергию постоянного тока. И, несмотря на относительно низкую эффективность преобразования солнечных батарей, они могут питать эффективные светодиодные светильники.
Использование сети постоянного тока позволяет улучшить характеристики светодиодных светильников:
- более высокий КПД (минимизация преобразования энергии) и надежность (естественный ожидаемый срок службы преобразоваетлей постонного тока в переменный значительно ниже, чем у светодиодов, и они являются наиболее распространенной точкой отсчета);
- упрощение оборудования и приборов, т к. исключается множество небольших источников питания);
- обеспечение лучших условий безопасности.
До недавнего времени светодиодные светильники постоянного тока предназначались исключительно для использования с аккумуляторными автономными источниками питания. Однако в последнее десятилетие электрические сети постоянного тока исследовались более интенсивно, поскольку развиваются возобновляемые источники энергии, а также современные электронные технологии управления.
В настоящее время, разрабатываются передовые средства управления освещением, которые без дополнительных затрат полностью интегрируются в эти системы постоянного тока.
Освещение с питанием от постоянного тока вписывается в более широкое развитие технологии Интернета вещей (IoT), которая становится центральным принципом развития умных зданий.
Технология IoT собирает данные и передает их другим устройствам для принятия разумных решений без участия человека. Собранные данные могут использоваться всеми устройствами и приборами для максимизации энергосбережения и максимально экономичной эксплуатации здания.
Освещение с питанием от постоянного тока можно даже настроить так, чтобы оно отражало циркадные ритмы организма. Более высокой производительности можно добиться, например, за счет более низкой освещенности по утрам и постепенного увеличения яркости в течение рабочего дня.
Использование сети постоянного тока для питания освещения также обеспечивает большую гибкость. Имея возможность настраивать элементы управления освещением в разных рабочих местах, можно гарантировать, что рабочие зоны, которым требуется больше всего света, получат его.
Драйверы светодиодных ламп
Светодиодное освещение постоянного тока позволяет отказаться от компонентов, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный.
Для сравнения компонентов, требуемых в решениях с источниками переменного и постоянного тока ниже на рисунке показана блок-схема типичного драйвера лампы, работающего от переменного тока.
Фильтр: подавляет высокочастотное содержимое входного источника. Большинство международных норм требуют, чтобы максимальное общее гармоническое искажение генерируемых сигналов напряжения и тока не превышало определенных пределов.
Это также необходимая часть активного корректора коэффициента мощности (PFC), наличие которого все еще может потребоваться в драйверах постоянного тока, если используются переключаемые преобразования, чтобы избежать генерации колебаний в источнике энергии.
Выпрямитель: обычно реализуется с помощью диодного моста.
Схема PFC: увеличивает соотношение между полезной (Вт) и общей мощностью (ВА), потребляемой драйвером.
Многие драйверы используют импульсные преобразователи (обычно схема повышающего типа), но для этого требуется входной фильтр для ограничения генерации высокочастотных гармонических искажений.
Электролитический конденсатор: выравнивает пульсирующий сигнал выпрямленного напряжения. На постоянном токе они могут подавлять провалы напряжения источника энергии, но большинство светильников могут считать приемлемым пропускать их и допускать короткие мерцания светодиодов.
Драйвер светодиодной лампы может быть размещен во внешнем корпусе или в самом устройстве (что значительно дешевле и существенно упрощает компоновку светильника).
Отсутствие компонентов преобразования переменного тока в постоянный означает меньшие требования к пространству, снижение затрат и более простую установку. От 40 до 50% печатной платы в светодиодном драйвере светодиодов занято компонентами переменного тока.
Поскольку устранить все нагрузки переменного тока и общую электрическую сеть довольно сложно, основной консенсус состоит в том, чтобы заменить все многочисленные преобразователи переменного тока в постоянный, размещенные на каждом светильнике, общим централизованным интерфейсом для обеспечения высокоэффективного преобразования и защиты, а затем провести электроэнергию на постоянном токе для светодиодных светильников.
Еще одним способом снижения потерь в кабелях является установка на этих участках нескольких независимых источников питания (фотоэлектрических панелей и аккумуляторов). Хотя эта стратегия подразумевает использование дополнительных контроллеров солнечного заряда, это может быть наиболее эффективным способом освещения больших зданий.
Защита
Усттройства защиты являются одной из основных проблем при проектировании и эксплуатации освещения постоянного тока. Распределение мощности постоянного тока, как и переменного тока, становится более опасным по мере увеличения уровня его напряжения.
Первичной защитой в сетях освещения постоянного тока является отключение цепи с помощью устройств обнаружения перегрузки по току: автоматического выключателя или предохранителей. Они должны быть специально спроектированы, так как в постоянном токе форма сигнала не пересекает нуль, и они должны отключать полный ток короткого замыкания. Однако устройства защиты, работающие на постоянном токе, становятся все более распространенными по мере создания большего количества установок ЦОД.
Потери в кабеле
Потери в кабелях определяются их длиной, диаметром и проводящим материалом. Медный провод с поперечным сечением 10 мм2, распределяющий 100 Вт при 12 В постоянного тока на расстояние 10 м, создает потери энергии 3%. Если эта длина увеличивается до 50 м, потери энергии становятся 16 %, а на 100 м — до 32% (что сводит на нет все преимущества энергоэффективности постоянного тока).
Потери в кабеле также ограничивают использование светильников высокой мощности. В медном проводе 10 мм2 постоянного тока 12 В светодиодный проектор мощностью 1 кВт имеет потери энергии 16% в кабеле длиной 1 м и 47% в кабеле длиной 3 м.
Работа с более высокими напряжениями, даже в пределах VLDC, снижает эти потери на квадратный коэффициент изменения напряжения. Переход с 12 на 48 В постоянного тока повышает эффективность передачи по кабелю в 16 раз.
Фотоэлектрические панели
Увеличение интереса к этим возобновляемымым источникам энергии заставят компании-производители уделять больше внимания технологии постоянного тока.
Фотоэлектрические панели очень хорошо сочетаются со светодиодным освещением. Фактически, светодиодное освещение постоянного тока было впервые разработано для автономного питания исключительно с помощью солнечной энергии, поскольку технология светодиодного освещения достаточно эффективна, чтобы снизить ее требуемое потребление в рамках возможностей производства фотоэлектрической энергии, особенно в сочетании с системами управления, которые могут регулировать энергопотребление во избежание глубоких разрядов.
В зависимости от характера светодиодов, фотоэлектрических панелей и аккумуляторов легко использовать низковольтные электрические сети постоянного тока LVDC с таким типом интеграции, поскольку они обеспечивают более гибкую конфигурацию фотоэлектрических панелей и сокращают количество преобразований напряжения.
Очень интересное исследование: Оценка энергоэффективности объектов на основе возобновляемых источников энергии
Андрей Повный