Inteligentné pouličné osvetlenie

Pre mestá, obce a prevádzkovateľov veľkých objektov predstavuje verejné osvetlenie veľkú finančnú záťaž. Zároveň je to však dôležitá súčasť bezpečnosti v osvetľovanom priestore. Problematiku bližšie vysvetľuje Ľuboslav Lacko z partnerského PC Revue:

Súčasné technológie

Zdrojom svetla pre pouličné osvetlenie boli postupne plynové lampy, elektrické žiarovky, ortuťové výbojky a v súčasnosti prevládajú sodíkové výbojky vydávajúce žlté svetlo, ktoré sú dnes vo verejnom osvetlení de facto štandardom. Výbojky sa plnia neónom a malým množstvom sodíka, ktorý sa pri zapaľovaní vyparí a potom v ňom horí oblúk. V nízkotlakových sodíkových výbojkách výboj prebieha pri nízkom tlaku 0,5 Pa a teplote 270 °C. Tieto výbojky vyžarujú iba vlnové dĺžky λ = 589,0 nm, čo je viditeľné žltozelené svetlo. Majú veľký merný výkon, až 200 lm/W, ale veľmi zlé podanie farieb, vlastne žiadne, keďže ide o monochromatické svetlo jednej vlnovej dĺžky. Na zapálenie je potrebných až 15 minút. Nízkotlakové sodíkové výbojky potrebujú na svoju prevádzku špeciálny predradník, ktorý vytvára vyššie zápalné napätie.

Naproti tomu vysokotlakové sodíkové výbojky s tlakom pár okolo 26 kPa vyžarujú vo viacerých spektrách, výsledné svetlo je žltooranžové, ale majú nižší merný výkon 120 - 150 lm/W. Keďže sa tlak sodíkových pár zvyšuje, je predpokladaný nárast pracovnej teploty výbojovej trubice. Túto teplotu už hlinito-borité sklá nie sú schopné ustáť, a preto sa musel vyvinúť nový materiál. Je ním priesvitný polykryštalický korund. Tento materiál vydrží vysoké teplotné a tlakové zaťaženie a má veľmi dobré priepustné vlastnosti. Keďže je horák vyrobený so špeciálneho materiálu, ktorý nesmie pri prevádzke prísť do kontaktu so vzduchom, musí byť okolo horáka vysoké vákuum. To zároveň zabráni úniku tepla do okolia. Životnosť vysokotlakovej sodíkovej výbojky je pomerne vysoká, až 32 000 hodín. Pre zlé podanie farieb sa využívajú tam, kde to nie je na prekážku, čiže na osvetlenie ciest, ulíc, vonkajších priestorov, nástupísk, podchodov a podobne. Sodíkové vysokotlakové výbojky majú oproti klasickým žiarovkám 15-krát vyššiu účinnosť, oveľa vyššiu životnosť a menšiu závislosť od kolísania napätia. Tieto výhody sú vykúpené už spomínanou monochromatickosťou vyžiareného svetla, vyššími obstarávacími nákladmi a zložitejším zapojením. A ešte jeden aspekt - vo väčšine obcí a miest sú svietidlá s výbojkami už pomerne staré a ich optický systém je vplyvom znečistenia skla či starnutia plastov oveľa menej priehľadný než v čase, keď boli nové. Takéto svietidlá potom vyžarujú menej svetla, lebo svietidlo pohltí veľkú časť svetelného toku z výbojky. Výmenou starých ortuťových alebo sodíkových svietidiel za LED sa dá ušetriť nielen veľa elektrickej energie, ale možno zvýšiť aj intenzitu osvetlenia. Pri sodíkových výbojkách sú reálne k dispozícii príkony 70 W, 100 W, 150 W, 250 W, 400 W a 500 W. Variant s najmenším príkonom 50 W je už menej efektívny.

LED svietidlá

LED je luminiscenčný zdroj svetla, pracuje na základe elektroluminiscencie. LED diódy poznáme niekoľko desaťročí, ale do vynálezu modrej LED boli k dispozícii iba farebné zdroje svetla, červené, zelené a oranžové ako ich kombinácia. Bez modrej zložky sa biele svetlo urobiť nedalo. Frekvenčné svetlo sa síce dá posunúť vrstvou fosforu, ale len smerom k dlhším vlnovým dĺžkam, a nie naopak. Mimochodom, vynálezcom modrej LED bola udelená Nobelova cena a výkonné biele LED zdroje svetla čaká skvelá budúcnosť. Najväčšia výhoda je vysoká účinnosť premeny elektrickej energie na svetlo. Na rozdiel od sodíkových výbojok LED svietidlá vyžarujú biele svetlo. Výhody v porovnaní s monochromatickým svetlom sú objektívne aj subjektívne. Vďaka vernému podaniu farieb sa biele svetlo zdá príjemnejšie a nočné prostredie mesta alebo obce krajšie, ale má to aj fyziologické príčiny. Ide o tzv. mezopické videnie. Zistilo sa, že pri takomto svetle je videnie účinnejšie a stačí menší príkon na to, aby sme videli rovnako dobre ako pri žltom svetle porovnateľných parametrov. Tento jav je výraznejší pri nižšej úrovni osvetlenia. Navyše LED svietidlám neprekáža časté zapínanie a vypínanie a dajú sa veľmi efektívne stmievať.

Energetickou účinnosťou prevyšujú LED svietidlá vysokotlakové sodíkové výbojky (120 - 150 lm/W) len nepatrne, nárast účinnosti nie je taký výrazný, ako keď sa nahrádzali žiarovky výbojkami. Do popredia však vystupujú iné aspekty.

V Senci bolo inštalovaných 1800 LED svietidiel, ktoré nahradili dovtedy používané sodíkové výbojky. Mesto na energiách ušetrí ročne takmer 100-tisíc eur.

Životnosť LED svietidiel dosahuje 50 000 – 100 000 hodín pri maximálnom poklese svetelného toku na 70 % menovitej hodnoty, čo znamená viac ako 20 rokov svietenia s úsporou 50 – 90 % nákladov na energiu a údržbu. Svietidlá majú odolnosť proti prieniku vody či prachu podľa IP 65 – IP 67, takže sú prakticky bezúdržbové. Ďalší zaujímavý prvok je estetická stránka LED svietidiel. Vyrábajú sa v mnohých vzhľadových variáciách a vyhotoveniach – od jednoduchých svietidiel vhodných do moderných priestorov až po svietidlá imitujúce tradičné historické lampy, ktoré sú vhodné predovšetkým na osvetlenie historických centier a pamiatkových zón miest a obcí.

Od regulácie...

Riadiaci a regulačný systém umožňuje správcovi verejného osvetlenia upravovať svetelný tok svietidiel na menej frekventovaných uliciach vo vhodných časových intervaloch a tým dosahovať značné úspory elektrickej energie. Alebo naopak, ak sa v osvetľovanej časti mesta alebo obce vykonáva nejaká nepravidelná aktivita, napríklad kultúrne podujatie v neskorých večerných hodinách, možno toto lokálne osvetlenie jednoducho prispôsobiť. Pri regulácii osvetlenia treba zachovať jeho rovnomernosť. Zníženie hladiny osvetlenia má byť podložené analýzou zmeny intenzity prevádzky v danom priestore. Normy pripúšťajú zníženie hladiny osvetlenia až o 50 % a viac, samozrejme, nie v priestoroch s vysokou kriminalitou a inými kontraindikáciami.

Na spínanie a stmievanie osvetľovacích sústav sa využíva digitálne adresovateľné rozhranie DALI (Digital Adressable Lighting Interface). Využíva bezpolaritné káblové vedenie a každé svietidlo musí byť vybavené samostatným elektronickým predradníkom DALI. DALI pre výbojkové svetelné zdroje umožňuje rozsah regulácie 60 až 100 % a pre LED zdroje v rozsahu 10 až 100 %.

Systém PowerLine umožňuje digitálne riadenie osvetlenia a monitoring priamo po sieti elektrického vedenia. Svietidlá sú vybavené bežnými stmievateľnými predradnými komponentmi DALI. PowerLine vytvára komunikačný kanál medzi riadiacim komponentom a bežným stmievateľným svietidlom bez potreby využitia dátového vedenia.

Riadenie spínanou fázou funguje tak, že predradný prvok svietidla má dva napájacie vstupy. Ak je na jeden privádzaná trvalá fáza, svietidlá sa rozsvietia napríklad na 100 % svetelného toku. Ak je privedená napájacia fáza aj na druhý vstup, svietidlá sa stmavia na znížený výkon. Pri rekonštrukcii verejného osvetlenia, napríklad s použitím dvojvodičového napájacieho rozvodu, si tento spôsob vyžaduje doplnenie jedného vodiča. Takéto riadenie sa však väčšinou využíva pri rekonštrukciách starých sústav verejného osvetlenia, realizovaných so štvorvodičovým napájacím rozvodom, keď sa použijú moderné svietidlá s vyššou účinnosťou, takže vodič netreba pridávať. Centrálne možno spínať napájaciu aj riadiacu fázu a regulovať tak osvetlenie napríklad pomocou bežných dvojkanálových astronomických spínacích hodín alebo časových spínacích hodín so súmrakovým snímačom.      

Takzvané astronomické riadenie sa využíva vtedy, ak existujúca inštalácia pri rekonštrukcii neumožňuje doplnenie ďalších vodičov. Všetky svietidlá sú v tomto prípade vybavené predradným príslušenstvom, ktoré má zahrnutú funkciu prepočtu astronomických hodín, pomocou ktorého je určované časové prepínanie a následné znižovanie svetelného toku svietidla v nočných hodinách.

... k inteligentnému riadeniu

Princípom inteligentného osvetlenia je vytvorenie aktívnej siete, ktorá prepája základné komponenty sústavy verejného osvetlenia a umožňuje ich samostatné riadenie. Osvetlenie tak možno ľubovoľne koordinovať – či už programovo, alebo podľa okamžitej intenzity dopravy. Inteligentné svietidlá fungujú aj ako senzory, ktoré monitorujú pohyb vodidiel alebo chodcov v okolí a posielajú údaje do riadiaceho centra. To potom koordinuje intenzitu osvetlenia podľa toho, ako sa chodec či vozidlo pohybuje, takže komfortne je osvetlená len zóna s niekoľkými lampami pred ním (ich počet závisí od rýchlosti pohybu objektu) a 1-2 lampami za ním. Ostatné svietidlá poskytujú len základnú úroveň osvetlenia. Komunikácia inteligentných svietidiel je v súčasnosti riešená rádiovo vo voľnom pásme 2,4 GHz a svietidlá si odovzdávajú informácie medzi sebou vždy na najbližšie v dosahu rádiového signálu. Inteligentným riadením sa dá dosiahnuť úspora energie minimálne 60 %, čo je podstatne viac než pri výmene vysokotlakových sodíkových výbojok za LED.

Verejné osvetlenie, konkrétne jeho stĺpy, riadiaci systém a rozvody, je kľúčový subsystém na budovanie inteligentného mesta. Hlavne stĺpy umožňujú zabudovať inteligentné technológie na monitorovanie dopravy, MHD, parkovací systém, kamerový dohľad, monitorovanie kvality ovzdušia, ale aj Wi-Fi routery pokrývajúce signálom verejné priestranstvá, prípadne v budúcnosti stĺpy poslúžia aj na zabudovanie prípojných bodov na nabíjanie elektromobilov a podobne. Takže dnes jednoúčelové stĺpy sa stanú inteligentnou multifunkčnou stanicou.

Siete ďalších generácií

Tak ako majú v súčasnosti mobilní operátori budujúci bázové stanice záujem o výškové budovy a vyvýšené lokality, ustavičný nárast počtu mobilných zariadení pripájajúcich sa do internetu v rámci IoT ich prinúti k novým návrhom architektúry ich sietí. Siete budú zahustené a tvorené sústavou menších a početnejších prístupových bodov, ktoré poslúžia viacerým používateľom a umožnia prenášať väčšie objemy dát. Jednou z možností umiestnenia bázových staníc budú aj stĺpy verejného osvetlenia. Prenosový systém bude umiestnený na chránenom mieste v hornej časti stĺpa a k chrbticovej sieti operátora internetu by sa pripájal optickým alebo mikrovlnným pripojením. Spočiatku budú takéto zariadenia inštalované na najexponovanejších miestach.

Článok bol publikovaný v partnerskom časopise PC Revue. Predplatné časopisu si môžete objednať na tomto linku, alebo sa môžete prihlásiť na odber newsletteru.