Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ АВТОСТРАД

Герасимов Е.М. 1 Третьяк Л.Н. 1
1 ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»
Предложен новый принцип проектирования беспроводных систем освещения автострад, использующих акустическую икинетическую энергию автомобильного потока вкачестве источника энергообеспечения придорожных светильников на автострадах и«умных» улицах городов. Отдано предпочтение твердотельным светодиодным лампам, выпуск которых освоен отечественной промышленностью. Светильники способны работать автономно впульсирующем режиме, создавая динамическую освещенность, усиливающуюся при приближении автомобилей кпешеходным переходам ипроблемным участкам автострад. Система освещения не нуждается вподключении клиниям электропередач, а вкачестве резервного источника электроснабжения всветильники встроены солнечные батареи. Это делает систему освещения автострад иулиц всепогодной ине зависящей от климатических условий места установления. Вблок управления светильников предложено встраивать «световой календарь» региона размещения светильника, обеспечивающий региональные нормы горизонтальной освещенности дорожного покрытия. При этом на информационной панели светильников предложено представлять информацию для водителей опроблемах дорожной ситуации и ометеоусловиях.
альтернативные источники энергии
автотранспортный поток
пьезоэлементы
акустические панели
солнечные батареи
светодиодные лампы
световой календарь
преобразователи энергии
1.Пат. на полезную модель 99266 Российская Федерация, МПК H05B31/02. Система освещения / ФоминО.Г., УдальцовВ.Е. ГребцовС.И., КотовА.В.; заявитель ипатентообладатель ГОУ ВПО Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого. – №2010120083/07; заявл. 20.05.2010; опубл. 10.11.2010, Бюл. №31. – 6 с.
2.Пат. на полезную модель 91136 Российская Федерация, МПК F21S4/00, H05B33/02. Светильник ЖКХ / ПакВ.А., БалабановА.Г., КабановА.А.; заявитель ипатентообладатель Пак В.А. – №2009133396/22; заявл. 07.09.2009; опубл. 27.01.2010, Бюл. №3. – 16 с.
3.Пат. на полезную модель 99901 Российская Федерация, МПК H01L33/00. Лампа светодиодная (варианты) / ВорошиловИ.В., БогдановА.П. заявитель ипатентообладатель Общество сограниченной ответственностью «Тегас» – №2010126359/02; заявл. 28.06.2010; опубл. 27.11.2010, Бюл. №33. – 18 с.
4.ВТомске презентовали Базовый центр светодиодных технологий». Наука итехнологии РФ [Электронный ресурс] URL: http://www.strf.ru/mobile.aspx?CatalogId=222&d_no=37823 (дата обращения: 16.03.2011).
5.Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю.Б.Айзенберг. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 472 с.
6.Компания «Светорезерв» поставила автономные системы энергоснабжения во Францию [Электронный ресурс] URL: http://b2blogger.com/pressroom/release/7126.html (дата обращения: 18.01.2011).
7.Venture Business News: САН напечатал дешевую энергию! [Электронный ресурс] URL: http://www.venture-news.ru/goskorporacii/5635-san-napechatal-deshevuyu-energiyu.html (дата обращения: 29.05.2011).
8.Кунгс Я.А. Проблемы автоматического управления электрическим освещением: Серия «Экономия топлива иэлектроэнергии». – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 112 с.
9.Методика определения времени включения ивыключения наружного освещения внаселенных пунктах РФ. Указания по эксплуатации установок наружного освещения городов, поселков городского типа инаселенных мест. – М.: – Стройиздат, 1978. – 143 с.
10.Интерактивная стена краснеет ипоказывает картинки вприсутствии человека. Технологии: Цифровая стройка [Электронный ресурс] URL: http://www.infox.ru/hi-tech/tech/2009/08/10/digital_wall.phtml (дата обращения: 18.01.2012).
11.Заявка №2009139281 Российская Федерация, G 08 G 1/005. Пешеходный переход сустройствами обнаружения ипредупреждения / Эрнандес-Гонсалес Анна-Мария, Камараса-Гомес, Мартинес-Ибаньес; заявитель ипатентообладатель Раббер Пейтентс, С.Л. – №2009139281/11; заявл. 27.03.2008 опубл.10.05.2011 БИ №13. – 3 с;
12.Пат. 2395846 Российская Федерация, МПК G 08 G 1/096. Многоцелевая сигнальная система на светодиодах для пешеходов иуправления дорожным движением/ Ким Джонг Хэй, Ким ТоммиИ., Хан Кьоунг Джа; заявители ипатентообладатели Ким Джонг Хэй, Ким ТоммиИ., Хан Кьоунг Джа. – 2007146239/11; заявл. 12.06.2006; опубл. 27.07.2010 Бюл. №21. – 20с.
13.Пат. на полезную модель 101048 Российская Федерация, МПК E01F9/00. Устройство освещения пешеходного перехода; заявитель ипатентообладатель АнисимовИ.А. – 2010112871/03; заявл. 02.04.2010; опубл. 10.01.2011 Бюл. №1. – 2 с.
14.ВСША изобрели мгновенные батареи» Яндекс. Новости [Электронный ресурс] URL: http://news.yandex.ru/yandsearch?c14url=www.newsmarket.com.ua %2F2011 %2F06 (дата обращения: 18.01.2012).
15.Пат. 2147697 Российская Федерация, МПК7 F03G7/08, B61D43/00, B60L1/00. Способ выработки электроэнергии спомощью железнодорожного состава путем зацепления электрогенераторных волчков иустройство для его осуществления / Казаков В.М.; заявитель ипатентообладатель КазаковВ.М. – №97122349/28; заявл. 12.09.1997; опубл. 20.04.2000. [Электронный ресурс] URL http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet (дата обращения: 18.01.2012).
16.Обзор мировых бизнес-идей: «Конвертация звука вэлектроэнергию» [Электронный ресурс] URL: http://www.ify.ru/business-review-obzor/business-review-invent-technology/1812-biznes-ideya-konvertacya-zvuka-v.html (дата обращения: 28.11.2009).
17.Заявка US №20070228890 Apparatus for autonomous power supply of power-using de… Александро Zanella, Стефано Alacqua, [Электронный ресурс] URL: http://translate.yandex.net/tr-url/en-ru/www.google.com/patents/US20070228890 (дата обращения: 29.05.2011).
18.Устройства, приводимые вдействия движениями тела / Топ-50 лучших изобретений 2010года по версии журнала «Time», Аргументы ифакты [Электронный ресурс] URL: http://www.aif.ru/techno/article/40046 (дата обращения: 18.01.2012).
19.Дмитрий Целиков. «Дорожное покрытие, питающее электромобили, сдано вэксплуатацию». 20марта 2010. [Электронный ресурс] URL: http://citforum.ru/news/23386. (дата обращения: 11.01.2011).
20.Заявка №2012102874 Российская Федерация, МПК F21S8/00. Система освещения автострад / Герасимов Е.М, Третьяк Л.Н.; заявители Герасимов Е.М., Третьяк Л.Н. – №2012102874/07; заявл. 27.01.2012; опубл. 10.08.2013, Бюл. №1. – 1 с.

В настоящее время спроектированы, запатентованы и разработаны различные варианты систем освещения автострад, площадей, мостов и транспортных развязок и т.п., использующие светильники, расположенные на опорах, мачтах или подвесках. При этом светотехнические и электротехнические элементы систем освещения зависят от условий и места расположения светильников. Научно-технический прогресс в системах освещения, содержащих источник питания, пульт управления напряжением питания осветительного прибора и системой преобразователя, проявляется в том, что в систему дополнительно вводят центральный приемопередатчик, соединенный с пультом управления и абонентские приемопередатчики для каждого светильника, соединенные со схемой управления и выходом источника питания, а в цепь питания осветительного прибора вводят датчик тока [1]. Взамен капризных в эксплуатации ламп дневного света придорожные светильники в таких системах оснащают светодиодными лампами, а сам светильник с целью энергосбережения комплектуют модулем реагирования на величину освещенности и шума. Причем внутренняя поверхность защитно-оптического модуля спрофилирована для светоотражающих и рассеивающих функций [2].

Все чаще современные придорожные светильники проектируют с модулями управления питанием (включение/выключение), срабатывающими в зависимости от показаний датчика освещенности или шума приближающегося транспортного средства [3]. Отечественная промышленность для реконструкции уличного освещения переходит на светодиодные технологии с увеличением светоотдачи твердотельных источников света [4].

К недостаткам известных систем освещения относят необходимость внешнего электрообеспечения светильников, в том числе с установкой трансформаторов и прокладкой раздельных распределительных кабелей вечернего и ночного режимов освещения. При этом известные системы освещения улиц и автострад требуют дооснащения системами дистанционного управления или телеуправления [5].

Известны возобновляемые источники электроэнергии, использующие устройства преобразования в электроэнергию волновой энергии световых и тепловых солнечных потоков, давления напора ветра воздушного потока или кинетическую энергию перепада уровня воды в период морских приливов-отливов. Все эти альтернативные (возобновляемые) источники энергии для практической реализации требуют громоздких устройств и линий электропередач от преобразователей через устройства аккумуляции энергии к непосредственному потребителю.

Известны локальные системы освещения, использующие энергию солнечного света для освещения локальных территорий. Например, фирма ООО «Светорезерв» представила комплект независимых систем энергопитания на основе солнечных батарей для французского горнолыжного курорта Марибель (Maribel, France) [6]. В ночное время солнечные батареи не работают, что требует включения дополнительных источников освещения.

Наиболее быстро совершенствующимся направлением научно-технического развития в использовании альтернативных источников энергии является использование тонко­слойных фотопреобразовательных модулей, произведенных на базе микроформных технологий. В частности, известно, что российская инновационная компания «САН» на выставке ink Jet Technology Showcase (Барселона, 8–9 июня 2010) представила образцы солнечных (световых) батарей, напечатанных на принтере с возможностью размещения на любой поверхности. Метод основан на использовании жирных квантовых точек и углеродных нанотрубок; причем квантовые точки концентрируют солнечную энергию, а нанотрубки доставляют энергию на контакты батарей без потерь [7].

Развитие подобных систем освещения сдерживается проблемами несовершенства систем автоматизированного управления включением-выключением светильников.

Принципиально для современной науки эти проблемы близки к разрешению. Так, известны цифровые технологии, применяемые для автоматизированного включения-выключения систем уличного освещения, использующие так называемый «световой календарь» и автоматы управления уличным освещением на базе фотореле, например, автомат освещения ОА 77 производства Московского энергомеханического завода [8]. Основу автоматов составляют блоки времени и освещенности, действующие совместно: фотореле подает импульс на отключение светильников по достижении заданного уровня естественной освещенности. Причем уровни требуемой освещенности полотна автострад довольно демократичны. СНиП II-4-79 п. 5.15 допускает интенсивность горизонтальной освещенности дорог ночью в 2–4 люкса при яркости дорожного покрытия 0,2–0,4 кд/м2. Причем средняя яркость дорожного покрытия принята в 1,6 кд/м2 независимо от интенсивности движения по данной автотрассе [9].

Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Панфилова разработала алгоритм использования светового календаря с учетом климатических поясов страны [9, Приложение 3. С. 103–128].

Известны современные технические решения по автоматизированному включению источников света при приближении движущегося объекта, например, человека к охраняемому объекту. Примером может служить так называемая «дигитальная архитектура» – система адаптивной регулировки освещения, установленная в 2011 году на Мадридском Дворце Правосудия. Аналогичная система из 35 тысяч светодиодов низкого разрешения в Монреале (культурный центр «La Vitrine Cuturelle») в режиме on-line разноцветно реагирует на перемещения пешеходов [10]. Недостатком систем автоматизированного управления является необходимость обслуживания дорогостоящих компьютеризированных систем управления, которые невозможно расположить вдоль автострад.

Среди устройств дистанционной диагностики приближающихся объектов, отнесенных по МПК к классу G 06K 9/00 (например, патент 2017216), обозначилась устойчивая тенденция на обеспечение безопасности движения посредством включений устройств освещения переходов по сигналу датчиков обнаружения движения пешехода и/или транспортного средства [11–13]. Наметился технический прогресс в вопросе уменьшения веса устройств аккумулирования электроэнергии. Например, вес устройства электрообеспечения электромобилей достигает не менее одной трети его массы. Оптимальное решение нашли, в частности, в США специалисты университета штата Иллинойс, которые изобрели «мгновенные батареи», способные заряжаться в течение двух минут вне зависимости от размера, что позволяет использовать их даже для подзарядки электродвигателей автомобилей [14]. Решение указанных общетехнических проблем сделало возможным использование возобновляемых источников энергии без строительства линий электропередач электроэнергии от традиционных генераторов энергии. Заслуживают внимания новые технические решения в виде устройств реализации способа выработки электроэнергии, использующие движение железнодорожного состава путем зацепления электрогенераторных волчков, расположенных на поверхности вагонов, с электрогенераторными волчками, закрепленными по бокам или поверхности вагонов или на железнодорожном полотне, при этом электроэнергию могут вырабатывать на поверхности земли или под землей. Выработанную энергию предложено использовать электродвигателями, установленными на осях вагонов, либо для электрообеспечения населенных пунктов. [15]. Автор патента считает, что локомотив, двигающийся вокруг небольшого поселка, способен круглосуточно обеспечивать освещение его улиц и бытовые потребности жителей в электроэнергии.

К недостатку устройства относится невозможность использования вне зоны железных дорог, а также невозможность прикрепления любых видов подобных устройств к проезжающему автотранспорту.

В области научно-технических идей витает проблема использования избыточного шума – «чумы 21 века» Перспективное решение проблемы преобразования звукового давления в электрическую энергию представлено на выставке инноваций в Токио. Один отсек экспериментальной установки фирмы «Sonea» массой 7 кг преобразует 1 децибел звукового давления в 30 Вт мощности [16]. Высказан прожект использования шума при взлете самолетов в аэропортах, что, по мнению авторов, только для одного аэропорта даст экономический эффект, эквивалентный экономии 8000 тонн нефти в день. Проект технически невыполним из-за отсутствия накопителя электроэнергии известной конструкции и проблем использования преобразователей-накопителей на взлетной полосе.

Общее направление научно-технического прогресса в энергообеспечении различного типа придорожных устройств (светильники, панели управления движением, датчики температуры, датчики состояния атмосферы и степени ее загрязнения) в условиях отсутствия линейного подключения к электрическим сетям сводится к использованию солнечных батарей или пьезо­электрических преобразователей давления автомобиля, например, JP 2003187378. Однако ограниченные возможности площадей панелей пьезоэлементов не позволяют обеспечивать постоянное освещение травмо­опасных участков автотрасс (переходы, крутые повороты, развилки и т.п.).

Методы и системы сбора энергии от альтернативных источников продолжают совершенствоваться (патент US 120181796, опубликован 19.07. 2012; US 8344529, 01.01.2013; US 8102072, 24.01.2012;), в том числе для использования в проектировании «умных дорог и тротуаров» (US 8080901 20.12.2011). В ряде проектов предусмотрено комплексное использование энергии транспортного потока не только накоплением в аккумуляторах энергии нагрузки на пьезоэлементы массой автомобиля, но и использования вибрации дорожного покрытия и скорости воздушного потока, производимого транспортным средством и улавливаемого на кустообразных панелях, размещенных вблизи пути движения транспорта [17]. Сложные композиции многопараметрического использования факторов возмущения окружающей среды также не обеспечивают постоянство автономного энергообеспечения осветительных устройств, размещаемых вдоль автострад.

 

pic_6.tif

Схема устройства придорожного
светильника [20]:
1 – электрогенерирующее дорожное покрытие; 2 – аккумуляторное устройство; 3 – стойка; 4 – придорожный светильник; 5 – отражательный экран; 6 – светодиодные лампы; 7 – микрофонная группа; 8 – блок управления; 9 – панель солнечных батарей;
10 – световая панель

Учитывая современный уровень развития электроники и светотехники, мы считаем, что в системах освещения автострад необходимо использовать беспроводные светильники с твердотельными излучателями светового потока, использующие альтернативные источники электрической энергии в виде кинетической и акустической энергии транспортного потока в пульсирующем режиме, т.е. система освещения придорожного светильника должна включаться при приближении автомобиля и выключаться при его удалении. При этом светильники необходимо устанавливать вблизи пешеходных переходов или травмоопасных участков дорог (рисунок).

Система освещения содержит электрогенерирующее дорожное покрытие 1, встроенное в полосы движения на участках автострад, требующих дополнительного освещения, электрически связанное с аккумуляторным устройством 2, размещенным внутри стойки 3 придорожного светильника 4. При этом придорожный светильник 4 содержит отражательный экран 5, усиливающий световой поток группы светодиодных ламп 6 и микрофонную группу 7 поглотителей звуковой энергии автотранспортного потока, а микрофонная группа 7 поглотителей звуковой энергии также электрически связана с аккумуляторным устройством 2 и имеет управляющий блок 8 включения-выключения группы светодиодных ламп 6. Светильник 4 в качестве резервного источника энергообеспечения имеет панель солнечных батарей 9, размещенную на верхней поверхности светильника 4, взаимосвязанную с аккумуляторным устройством 2 и управляющим блоком 8 включения-выключения группы светодиодных ламп 6. Придорожный светильник 4 в нижней поверхности оснащен световой панелью 10 предписывающих и информирующих знаков безопасности дорожного движения (БДД), выполненных в виде кабельных волоконных светильников, работающих по принципу «бегущей волны». Предлагаемая система работает следующим образом. При приближении автомобиля (на расстояние менее 100 метров) к месту установления придорожного светильника 4 один из преобразователей звукового давления – микрофон микрофонной группы 7 поглотителей звукового давления ‒ посылает сигнал в управляющий блок 8 включения-выключения группы светодиодных ламп 6 и панели 10 подсветки знаков БДД. При контакте автомобиля с полосой электрогенерирующего дорожного покрытия 1 кинетическая энергия массы автомобиля преобразуется в электрический ток и направляется через зарядное устройство в аккумуляторное устройство 2. При этом все время прохождения автомобиля вблизи стойки 3 светильника 4, волны звукового давления (шума), производимого автомобилем, продолжают воздействовать на микрофонную группу 7 поглотителей звуковой энергии. После прекращения акустического контакта автомобиля с микрофонной группой 7 поглотителей звуковой энергии отключается энергообеспечение группы светодиодных ламп 6. В дневное время при достаточном естественном освещении управляющий блок 8 включения-выключения отключает группу светодиодных ламп 6 от аккумуляторного устройства 2. Блок управления 8 представлен микропроцессорным устройством с программным обеспечением управления динамическим режимом освещения полос автострады с учетом климатического светового календаря района, в котором расположена система освещения. При этом в дневное время электроэнергия, произведенная панелью солнечных батарей 9, продолжает накапливаться в аккумуляторном устройстве 2.

Пример возможного применения. Известны варианты конструкций всех элементов устройства, в том числе процессорное выполнение управляющего блока 8 включения-выключения группы светодиодных ламп 6 по показателям естественной освещенности в различных географических широтах и интенсивности звукового давления приближающегося (удаляющегося) автомобиля. Каждый из них используется конструкторами современных светотехнических устройств и не является исключительным существенным признаком заявляемого технического решения. Однако их примененная совокупность дала возможность использовать неизвестный ранее возобновляемый источник энергии, а именно звуковую и кинетическую энергию автотранспортных потоков. Основной элемент новизны технического исполнения системы освещения относится к конструкции электрогенерирующего дорожного покрытия 1, встроенного в полосы движения на участках автострад. Традиционная механика хорошо разработала механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (например, патент 544798 F 16H 25/08, Б.И. № 4, 1977),
то есть можно использовать эксцентрик, приводящий под действием тяжести автомобиля во вращение динамомашину, разме-
щенную внутри борозды в дорожном покрытии. Но этот устаревший традиционный
подход потребует экономически неоправданной реконструкции автострад. В заяв-
ляемом техническом решении мы использовали современные разработки по переводу механической энергии в электрическую
с применением пьезоэлектрических элементов. Например, известно, что Майкл Макаллайн из Принстонского университета разработал способ встраивания пьезоэлектрических кристаллов в подошвы резиновых сапог (сапоги компании Orange Power Wellies), обеспечивающих энергообеспечение персональных электронных приборов при ходьбе. Автор считает, что масса человека помогает вырабатывать до 70 Вт энергии при каждом шаге [18].

Предлагаемое нами конструктивное исполнение (накладные полосы электрогенерирующего дорожного покрытия, при которых пьезопреобразователи давления колес автомобиля вмонтированы в эластичное покрытие), исключает необходимость нарушения целостности дорожного полотна. Техническую задачу, аналогичную нашей, решили в Корейском исследовательском институте передовых технологий, создав методику «вживления» в дорожное полотно электрополос, которые передают электроэнергию транспортным средствам с батарейным питанием. Прототипом им послужил аналогичный пол в парке развлечений в городе Квачхон на юге Сеула [19].

Новым существенным признаком заявляемой системы освещения автострад является её возможность обеспечивать энергосберегающее «динамическое освещение» полос движения по автостраде [20]. Под термином «динамическое освещение» понимается изменяемый во времени и интенсивности световой поток, создаваемый светильником под влиянием акустического сигнала от приближающегося автомобиля: усиление интенсивности светового потока светильника (до заданного оптимума) при усилении акустического сигнала приближающегося автомобиля и, наоборот, ослабление интенсивности светового потока, направляемого светильником на полосу движения, при удалении автомобиля и соответствующего ослабления акустического сигнала от удаляющегося автомобиля. В дежурном режиме, т.е. при отсутствии движения, системой поддерживается минимальная горизонтальная освещенность: нулевая искусственная – при достаточной естественной освещенности и ночная дежурная искусственная освещенность в 2–4 лк, если не задана большая. При этом использование кабельной подсветки дорожных знаков исключает возможность возникновения эффекта «ослепленности» водителей любой полосы движения автотранспорта.

Заключение

1. Заявленная беспроводная система освещения автострад не требует подключения к линиям электропередач.

2. Система обеспечивается энергией путем преобразования акустической и кинетической энергии транспортного потока.

3. Система работает автономно в пульсирующем режиме, создавая динамическую освещенность, усиливающуюся при приближении автомобилей к проблемным участкам автотрассы.

4. Предлагаемая система освещения автострад и улиц является всепогодной и не зависит от климатических условий места установления, так как в качестве резервного источника электроснабжения придорожных светильников в конструкцию системы встроена солнечная батарея.


Библиографическая ссылка

Герасимов Е.М., Третьяк Л.Н. НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ АВТОСТРАД // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 3-1. – С. 22-27;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33578 (дата обращения: 23.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074