Улично LED осветление в основата на умния град

Светодиодното (LED) осветление повсеместно заменя старите улични лампи в градове от всички краища на света. В България също много общини вече изпратиха в историята червеникавото мъждене на някогашните лампи и блеснаха с диодни тела. Това, което все още малко градове и общини по света добре осъзнават, е, че преходът към новото поколение улично осветление е нещо повече от подмяна на стари устройства с нови. Това дава шанс за изграждане на бъдещите “умни” градове бързо и лесно. С известна градоначалническа мъдрост и далновидност процедурата би могла да сбъдне визията за “smart-city”. 

Текст: списание Инфрабилд

Извличането на полза от по-голямата ефективност на диодното осветление изисква разбиране за предимствата на технологията и наличие на ясна стратегия за развитието на региона. Ефективността на осветителните тела се разбира по съотношението между отдаваната светлина, измервана в лумени (lm), спрямо консумираната енергия, измервана във ватове (W). Колкото повече лумени дава една лампа от един ват енергия, толкова по-ефективна е тя. Светодиодните лампи се различават доста по показателя lm/W, като най-новите лабораторни разработки надминават 300lm/W, но сред комерсиалните продукти на пазара могат да се намерят такива от порядъка на 200lm/W. 

Стратегията за развитие на региона обаче определя как подобна ефективност ще бъде впрегната в полезно действие. Замяната на съществуващите осветителни тела с диодни, които излъчват същото количество светлина, може драстично да намали консумираната енергия, респ. разходите за електричество. Някои градски власти обаче могат да изберат алтернативен подход. Те могат да разширят обхвата на уличното осветление, покривайки нови улици, паркове, сгради. Тогава разходите може да не намалеят, но значително ще се увеличи площта на предлаганата услуга – а това също е подобряване на ефективността. В процеса на подмяна на осветителните тела и разширяване на обхвата на осветлението обаче могат да се добавят няколко “екстри”, които да превърнат LED осветлението в реален стълб на умния град. 

Автономно захранване 

Технологията за автономно електрозахранване на диодното осветление не е нова, но развитието на възобновяемите източници позволява тя да е изключително ефективна. С подобряването на свойствата на фотоволтаичните панели и на съотношението lm/W осветителните тела могат значително да пестят енергия. Така е възможно автономното захранване да осигурява значително по-продължителен период на осветяване. Възможни са дори излишъци, които да се продават на електроразпределителните дружества. 

Едновременно с това някои градове експериментират с микро вятърни турбини, разположени по протежение на булевардите. Генерираното от тях електричество може да допълва енергийните потребности на осветлението. Селищата, разположени край река, могат да впрегнат и водните си ресурси за производство на електричество: дори малките потоци могат да създават електричество чрез малки водноелектрически турбини.

Адаптивност

Мярка, която драстично подобрява ефективността на уличното LED осветление, е адаптивността му. Това предполага уличните стълбове да бъдат оборудвани с датчици и контролери, управляващи светлинния поток според външната обстановка.  Сензорите за външната осветеност могат да регулират включването и изключването на всяка улична лампа поотделно – в зависимост от наличната дневна (слънчева) светлина. Когато денят е по-къс зиме, вечер лампите ще се включват по-рано, а през дългите летни дни – по-късно. Но това не е всичко. Ако в горещ летен ден небето рязко “притъмнее” от задаваща се буря, осветлението ще се включи автоматично.

При това ще светнат само лампите в онзи край на града, където вилнее буря и е мрачно. Намаляват рисковете от инциденти заради сумрака. Същевременно там, където няма нужда от светлина, не се разхищава електроенергия.  Сензорите за движещи се обекти са другата категория датчици, които управляват умните LED улични лампи. В малките вътрешноквартални улици обичайно е ненужно осветлението да “грее” с пълна сила по цяла нощ. Вместо това осветителните тела могат да се програмират да намаляват автоматично степента на осветление (например до 40%) от пълния й капацитет.

При преминаването на пешеходец по тротоара или на автомобил по уличното платно датчиците ще накарат лампите да светнат на 100% за известно време – но само тези, които се намират в близост до пешеходеца/автомобила. Нещо повече, благодарение на “умни” цифрови алгоритми, разпознаващи посоката на движение, се активира осветлението на известно разстояние пред пешеходеца/автомобила, осигурявайки нужната видимост. Така то “върви” заедно с движещия се обект. 

Функцията има и ценен социален ефект, макар да е труден за остойностяване. Тъй като много хора в градовете страдат от нарушения на съня заради силната външна светлина през нощта, а това намалява тяхната работоспособност през деня, то умното намаляване на интензитета на уличното осветление може да подобри спокойствието и съня на гражданите в жилищните квартали. Оттам идва значително подобрение на производителността им като работници и служители. 

Интернет свързаност

Дигиталната трансформация на градовете провокира все повече местни власти да търсят начини за осигуряване на повсеместно предлагане на интернет свързаност за гражданите. Подмяната на уличното осветление с LED е идеалният момент за оборудване на стълбовете с WiFi предаватели. Така селището може с един ремонт да постигне двойна полза: икономия на електричество за осветление и осигуряване на интернет покритие. 

Камери за видеонаблюдение

Подмяната на уличното осветление с LED е идеалният момент за оборудване на стълбовете не само с WiFi предаватели, но и с камери за видеонаблюдение (CCTV). Системите за видеонаблюдение са потребност в повечето населени места, особено големите градове – заради динамиката на престъпността. Видеонаблюдението е вече утвърдено като средство за подпомагане на опазването на обществения ред. Ала инсталирането на камерите продължава да е предизвикателство. Потребни са носещи конструкции, електрозахранване, мрежова свързаност. Използването на стълбовете на уличното осветление за видеокамери до голяма степен решава тези проблеми: стълбовете са на публични места, имат си електрозахранване, имат и (евентуално) интернет свързаност. 

Сензори за околна среда

Подмяната на уличното осветление с LED е идеалният момент за оборудване на стълбовете с WiFi предаватели, с CCTV камери за сигурност, но и със сензори за мониторинг на параметрите на околната среда. Всички градски власти днес се стремят към изграждането на инфраструктура за наблюдение на околната среда: състав на въздуха, замърсители, температура, влажност, ниво на шум, валежи. Датчиците имат специфични изисквания за позиция от гледна точка на тяхната височина, достъп до електрозахранване, осигуряване на връзка в реално време към централизирани сървъри и бази данни. И ето, че и тук осветителните стълбове отговарят на много от предизвикателствата: те имат ток, а ако се подходи мъдро да се оборудват с WiFi предаватели, ще имат и интернет свързаност в реално време.

Остава с помощта на еколози да се подберат подходящите позиции за мониторинг: например покрай големи и оживени кръстовища, по протежение на оживени булеварди и др. Сензорите за мониторинг на околната среда най-често се използват за формиране на политиките и мерките за осигуряване на чист въздух и намаляване на нивата на градския шум. Те могат да служат на градските власти и за други задачи, например за измерване на обема на валежи или сняг, подпомагайки службите за пътна поддръжка, гражданска защита при бедствия и др. 

Малки клетки за 5G мрежи

Навлизането на новото, пето поколение телекомуникационни мрежи е на ход и телеком операторите се надпреварват да разгърнат 5G покритие в големите градове. “Клетките” на новото поколение мрежи ще излъчват сигнал с по-висока честота от досегашните мрежи. Това означава, че пространственото покритие на всяка “клетка” ще е по-малко. Ще са необходими много по-голям брой телеком клетки за покриването на дадена територия. 

Може да се очаква антените на телекомите да станат далеч по-честа гледка, отколкото сме свикнали. Ето, че стълбовете на уличното осветление могат да изиграят ролята и на мачти за новите 5G клетки. Със своята гъстота осветителните стълбове могат да предложат удобно разположение на клетките, за да се постигне възможно най-ефективно покритие. Електрозахранването, което така или иначе е налично в осветителните стълбове, може да осигури и енергията за клетките от пето поколение. Допълването с малки ВЕИ (например локален соларен панел) ще облекчи натоварването върху електроразпределителната система. 

Зареждане на електромобили

Наред с всичко това някои градове експериментират и с вграждането на зарядни станции за електромобили в стълбовете на уличното осветление. Това е полезна възможност на места, където обществените пространства допускат паркирането на автомобили. В градските центрове, където престоят на автомобилите е платен (синя, зелена зона) таксуването може да бъде комбинирано: зареждането и платеното паркиране да формират обща сметка. 

Управление с облачни решения

Все повече софтуерни компании по света разработват и предлагат решения за управление на уличното осветление – било то диодно или не. Обичайно цялостните системи се състоят от безжични контролери и сензори, както и софтуер за управление. С развитието на т. нар. облачни ИТ технологии става възможно софтуерът за контрол на уличното осветление да бъде разположен “в облака”, тоест на сървъри в интернет. Това, от една страна, спестява разходи на операторите – за хардуер, бази данни, софтуерни лицензи и др. От друга страна софтуерът “в облака” е достъпен по всяко време за отговорните оператори, без значение къде се намират – стига да имат достъп до интернет. Не на последно място доставчиците са в състояние да осигурят и съответното резервиране (поддържане на резервно копие), така че дори в случай на срив работата на системата може бързо да бъде възстановена, само за минути. 

Връзка със светофарни уредби

Далновидното разбиране за умния град отива още една стъпка по-далеч в разбирането за уличното осветление. Освен стълбовете да имат WiFi предаватели, CCTV камери за видеонаблюдение, датчици и котролери за автоматично включване и затъмняване, както и сензори за мониторинг на околната среда, уличните лампи могат да бъдат координирани и синхронизирани със системите за управление на светофарните уредби в градовете. Така интелигентното LED осветление ще се съчетае с “умните” кръстовища. 

Градове с интелигентно улично LED осветление

Барселона публикува първия си план за ново осветление през 2010 година - за интелигентни LED лампи. Градската управа предприе инсталирането на 10 хиляди LED улични тела. Те съдържат сензори за движение и приглушават осветеността, за да пестят енергия, когато няма никой наоколо. Интелигентните стълбове за лампи се управляват от разстояние. Осигуряват и безплатен WiFi интернет в града и събират данни за замърсяването на въздуха и шума.

Крайната цел на местната власт е да подмени всички 146 хиляди осветителни тела в града, които преди промяната са консумирали по 82 гигаватчаса на година. От гледна точка на обществената услуга първата и най-важна задача в проекта е подобряването на пешеходното осветление, вместо уличното, подчертава планът. Едва на второ място е подобряването на ефективността и реализирането на икономии. Трета задача е да се подобри осветлението на обществени сгради, паметници и вътрешноквартални улици. Новите LED лампи, освен да светят, имат и други роли: мерят влажност, температура, вибрации, ниво на шума и замърсяване. Оборудвани са и с камери за видеонаблюдение.

Наред с това една частна компания от Барселона и един от местните университети започнаха сътрудничество, разработвайки стълбове за улично осветление, осигуряващи изцяло вятърна и слънчева енергия. ВЕИ устройствата могат да осигурят ток за осветление за 6 дена без наличие на вятър и слънце. Паралелно с това градът, който преди няколко години преживя тежка суша, интегрира и “умна водна система”. Стълбовете на уличното осветление участват в нея, като събират с данни за валежите. 

Копенхаген въведе нов генерален план за осветление през 2014 година и даде старт на внедряването на 20 хиляди LED улични лампи, чрез които градът подобри енергийната ефективност със спестявания от около 65%. Чрез дистанционно управление и контрол на осветлението се приглушават светлините, когато не са необходими, или се увеличава силата им, осигурявайки допълнителна безопасност при преминаване на велосипедисти или пешеходци.

В Хамбург стълбовете на уличното осветление работят по няколко хитри начина. Чрез “интернет на нещата” те са свързани в цялостна система, управлявана през “облака”. Системата улавя тенденциите в трафика и контролира и светофарните уредби, за да работят възможно най-гладко. Тъй като градът е пристанищен, той има няколко моста, които се вдигат често. Когато тези мостове са вдигнати, умните светофари променят ритъма си на работа и пренасочват движението така, че да не се получават задръствания при мостовете. 

Наред с това осветлението на Хамбург е динамично. Лампите имат сензори и камери, които “забелязват” пешеходците, велосипедистите и колите – съответно настройват силата на светлината, като “следват” придвижващите се по тяхното трасе. Ако няма никого на улицата, осветителните тела намаляват интензитета на светлината. Инсталираните по стълбовете камери пък засичат инциденти на пътя и автоматично изпращат сигнал до службите за спешна помощ в случай на катастрофа, заедно с точна локация. 

В Чикаго стартира програма за интелигентно осветление през 2017 година. Предвидени бяха 270 хиляви LED улични лампи, които да бъдат инсталирани за четири години. Чикаго изчислява, че ще спестява около 10 милиона долара всяка година. По-висококачествената светлина, осигурена от LED технологията, ще подобри видимостта и безопасността. Проектът включва система за наблюдение и контрол, която ще подобри поддръжката с актуализации в реално време, когато възникнат прекъсвания.

Осака наскоро започна бележит проект за улично осветление, който би трябвало да демонстрира комбинираните ползи от “умните” стълбове. Внедряват се LED лампи със сензори, които наблюдават околната среда, включително скорост на вятъра и посока, температура и влажност, атмосферно налягане, дъжд, налична околна светлина, UV степен, дори брой и скорост на автомобилите. 

Със събирането на въпросните данни се прави пълна метеорологична картина в реално време. Данните се подават незабавно на службите за пътна поддръжка в префектурата, както и на службите по брегова охрана. Предстои монтирането на камери, които да следят нивото на водата по пътищата при дъжд. Това ще е важна част от системата за адекватно реагиране при наводнения. По аналогичен начин ще има и датчик за дебелината на падналия сняг и за количеството паднал дъжд на единица площ. 

Допълнителни положителни ефекти 

Наред с подобряването на качеството на осветлението въвеждането на адаптивни LED улични лампи носи и някои допълнителни ефекти, които са желани във всяка част на света. Намаляването на престъпността е един от тези ефекти. По-добрата осветеност, подкрепена от датчиците за движение, които увеличават интензивността на светлината при поява на активност, правят по-трудно и по-несгодно за престъпниците да извършват необезпокоявано своята нелегална дейност. 

Опазването на общественото здраве чрез регулиране на интензивността на осветлението допринася за по-добрия сън на градските обитатели. Така те са по-отпочинали, съответно по-работоспособни и по-пълноценни през време на работния ден. Опазването на околната среда е друг съпътстващ фактор. Намаляването на интензитета на светлината е от полза за животните в градската среда.