Известный экспериментатор и предприниматель Томас Эдисон в XIX веке предложил систему электроснабжения на постоянном токе. К началу XX века на смену ей пришли электрические сети на переменном токе, которые предложили Никола Тесла и Джордж Вестингауз. Переменный ток повсеместно вытеснил постоянный, но, как известно, наука и техника развиваются по спирали. И уже в XXI веке предлагается делать в офисах и производственных цехах отдельную проводку для светодиодного освещения, по которой потечет постоянный ток.
Главная причина, по которой постоянный ток не выдержал конкуренции — малая дальность передачи электроэнергии. Из-за невозможности использования трансформаторов напряжение в линии электропередачи приблизительно соответствовало напряжению в розетке. Применительно к реалиям США конца XIX века — это напряжение было около 110 В. В итоге электростанция не могла размещаться далее 1,5 км от потребителя. Это было значительным недостатком в XX веке, но сейчас ситуация изменилась.
Для выработки электроэнергии все чаще используются альтернативные источники: солнце, ветер и некоторые другие. Общей особенностью таких источников является нестабильность количества вырабатываемой энергии в данный момент, что требует использовать аккумуляторы. Кроме этого, сейчас предлагается и такое решение — накапливать электроэнергию, получаемую из сети, в аккумуляторах в те промежутки времени суток, когда она стоит дешево, а потом отдавать ее в часы, когда тарифы высокие.
Для накопления энергии повсеместно применяются аккумуляторы, использующие преобразование электрической энергии в химическую и обратно. Эти аккумуляторы дают постоянный ток. При этом многие приборы, потребляющие электроэнергию, изначально устроены таким образом, что питаются от постоянного тока (например, компьютеры), а чтобы они могли питаться от переменного тока, приходится добавлять в конструкцию дополнительно блоки питания. Тогда зачем нужны преобразования постоянного тока в переменный и обратно, если можно непосредственно с аккумулятора подавать постоянный ток потребителю? Значительно упростится конструкция многих устройств, подключаемых к электросети, а также централизованную систему бесперебойного питания. К тому же, не будет потерь в проводке, связанных с излучением электромагнитного поля проводником, через который проходит переменный ток. Исходя из этого, в тех случаях, когда внутренняя сеть использует альтернативные источники энергии, а также систему бесперебойного питания, в ней предпочтительно передавать постоянный ток.
Но не все так просто, как может показаться. Огромное количество приборов изначально спроектировано на питание переменным током и на постоянный ток их так просто не переделать. В первую очередь, речь идет об устройствах, в которых установлены моторы. Но даже электрочайник, рассчитанный на переменный ток, нельзя питать от постоянного, хотя там, казалось бы, только резистивная нагрузка. При размыкании контактов в цепи переменного тока гашение дуги происходит быстрее, чем в цепи постоянного. Термореле, которое размыкает цепь при кипении, рассчитано на переменный ток и большая длительность дуги на постоянном токе выведет его из строя.
Производить технику широкого применения под новый стандарт питания постоянным током слишком расточительно, если учесть, что доля альтернативных источников в общем объеме производимой в мире электроэнергии пока не превышает 3%. Поэтому на момент написания статьи основной отраслью, где наблюдается массовый переход на внутренние электрические сети постоянного тока, являются гигантские центры обработки данных. В них сервера питаются от постоянного напряжения 380 В. Данное значение напряжения позволяет использовать серийно выпускаемые кабели для 230 В переменного тока [1]. Тем не менее, электропитание ЦОД — довольно узкий сегмент рынка.
Другим применением внутренних сетей на постоянном токе, которое, по прогнозам ряда авторитетных ученых действительно может стать массовым, является освещение. Естественно, светодиодное, так как светодиод по своему принципу работы может питаться только от постоянного тока. Необходимость преобразования переменного тока в постоянный является одной из причин, почему светодиодные светильники до сих пор стоят значительно дороже аналогов с традиционными источниками света.
Существующие примеры питания ламп от постоянного тока
Накопленный светотехникой опыт еще с первых ламп Томаса Эдисона показывает, что питание традиционных источников света от постоянного тока не меняет их технические характеристики или же ведет к ухудшению параметров. В то же время, питание ламп на основе светодиодов постоянным током улучшает качество их работы.
Существует множество легенд, согласно которым при питании лампы накаливания от постоянного тока, она служит дольше. Или, наоборот, питание от переменного тока продлевает срок службы лампы по сравнению с постоянным. Но, на самом деле, питание лампы накаливания что от постоянного тока, что от переменного тока частотой 50 или 60 Гц, не влияет само по себе на срок службы.
При питании люминесцентных ламп от постоянного тока возникает так называемый «трамвайный эффект», выражающийся в потемнении в процессе эксплуатации одного из концов трубки. Даже если лампа закрыта молочным рассеивателем, такой работающий светильник выглядит некрасиво. С этим эффектом борются, периодически вынимая лампу из светильника и вставляя обратно ее с другой полярностью. Название «трамвайный эффект» связано с тем, что его впервые обнаружили при переводе освещения в салонах трамваев с ламп накаливания на люминесцентные. Электрооборудование трамвая работает от постоянного тока, соответственно, от постоянного тока решили питать и лампы, освещающие салон. В современных транспортных средствах используются люминесцентные лампы, питающиеся через ЭПРА переменным током с частотой порядка единиц или десятков кГц.
Светодиодные лампы-ретрофиты типоразмера MR16 выпускаются с питанием от напряжения 12 В. Данные лампы поддерживают питание какпеременным, таки постоянным током. Каждая модель лампы совместима с трансформаторами для галогенных ламп из определенного списка. При замене галогенных ламп MR16 совместимость светодиодных ламп, подходящих по светотехническим параметрам и цене, с уже установленными трансформаторами, зачастую отсутствует. Поэтому вместо трансформатора устанавливают блок питания, дающий напряжение 12 В постоянного тока. Так же рекомендуется поступать и в случае, когда изначально устанавливаются светодиодные лампы MR16. Практика показывает, что питание светодиодных ламп MR16 от постоянного тока обеспечивает более стабильную работу и более высокий КПД по сравнению с питанием от переменного тока. Питание от постоянного тока позволяет также полностью избавиться от пульсаций светового потока.
Снижение потерь в системе электроснабжения
Структурные схемы организации электропитания светодиодных светильников на переменном и постоянном токе в типичном офисном здании показаны на рис. 1.
Как видно на рисунке, в системе на переменном токе потери в проводах составляют 3%, а на постоянном — всего 1%, что обусловлено законами физики. Снижение потерь в блоке питания с 5% до 2% связано скорее с экономическими факторами, так как на группу светильников уже выгодно использовать более дорогой блок питания с повышенным КПД. Итого за счет перехода с переменного тока на постоянный теоретически можно получить снижение потерь на 5%.
Профессор Эбберхард Ваффеншмидт из Кельнского университета прикладных исследований совместно с Philips Research создали систему электроснабжения, питающую 54 светодиодных ламп мощностью 37 Вт каждая от солнечной батареи, а при отсутствии в достаточном количестве солнечного света — брать электроэнергию из распределительной сети [1]. Система работала на постоянном токе 380 В.
Испытания показали, что снижение энергопотребления по сравнению с аналогичной системой энергоснабжения составило всего 2,24%. По мнению автора данной статьи, столь скромный результат был достигнут во многом потому, что использовались лампы для переменного тока, драйвера которых были доработаны для питания от постоянного тока, а не лампы, изначально спроектированные под постоянный ток. Но даже у такой системы есть как минимум два преимущества. Во-первых, это очередная возможность сделать себе PR компании, заботящейся об экологии, так как мысль о том, что использование постоянного тока в электрических сетях позволяет экономить энергию, уже проникла в умы продвинутых экологических активистов [2]. Во-вторых, при питании постоянным током значительно упрощается конструкция как питающей подстанции, так и светодиодных светильников.
Упрощение конструкции оборудования
Постоянный ток, поступающий от солнечных батарей и аккумуляторов, должен быть приведен к напряжению нужной величины (этим занимаются так называемые DC — DC преобразователи), а затем преобразован в переменный. Преобразование в переменный ток выполняется, так называемыми, инверторами. В отличие от бытовых инверторов (например, в индивидуальных ИБП для настольных компьютеров), дающих лишь приближение к синусоидальному напряжению, профессиональные модели, обслуживающие целое здание или даже комплекс строений, должны давать «чистую» синусоиду, иначе возникнут проблемы с электромагнитной совместимостью оборудования и много других проблем. Соответственно, профессиональные инверторы — дорогостоящие агрегаты, исключение которых из схемы энергоснабжения при использовании постоянного тока позволит снизить общую стоимость системы, а заодно и повысить энергоэффективность за счет удаления как минимум одной ступени преобразования. Например, профессиональный инвертор, способный длительное время выдерживать нагрузку до 12 кВт стоит порядка 100 000 руб. (здесь и далее цены приводятся по состоянию на сентябрь 2015 г.) На самом деле, при переходе на постоянный ток удаляется и другая ступень преобразования, а, именно, выпрямитель в светодиодном светильнике.
В том случае, если светодиодный светильник работает в помещении, где постоянно находятся люди, тем более, где они выполняют работу, требующую сколь-нибудь значительного зрительного напряжения, надо не только выпрямить переменный ток, но и сгладить пульсации. Для этого используются электролитические конденсаторы большой емкости — дорогостоящие и при этом весьма капризные устройства. Как правило, основной причиной выхода из строя светильников является преждевременный отказ драйвера, который происходит, когда светодиоды еще не полностью выработали свой ресурс.
Зачастую этот отказ связан со сглаживающими конденсаторами. Причем электролитические конденсаторы имеют неприятную особенность деградировать от времени, даже если светильник не работает, а лежит на складе.
Встраиваемый светодиодный светильник для потолков типа «Армстронг» можно в среднем купить по цене от 1200 руб. (совсем дешевые низкокачественные модели рассматривать не будем) Причем в модели за 1200 руб. вполне могут использоваться «фирменные» светодиоды, такие же, как и в более дорогих моделях. Разница между дешевыми и дорогими светильниками заключается главным образом в уровне пульсации и надежности драйвера. При питании от постоянного тока конструкция драйвера становится более простой и надежной, в ней не присутствуют сглаживающие конденсаторы. Поэтому светильник за 1200 руб. будет работать практически так же хорошо, как и за 2200 руб. (столько стоит светильник с надежным драйвером без пульсации от известного российского бренда) Мало того, за счет уменьшения числа деталей вполне реально дополнительно снизить цену на качественный светильник.
В итоге, переход на постоянный ток позволит снизить цены на светодиодные светильники примерно в 2 раза и добиться срока службы всего светильника, равного сроку службы установленных в нем светодиодов, то есть 50 000 ч. Весьма значительный выигрыш!
Технология РоЕ
Тем не менее, прокладывать отдельную проводку для питания светодиодных светильников выгодно лишь тогда, когда здание строится заново, либо в нем проводится капитальный ремонт. Избежать необходимости прокладывать отдельную проводку можно, используя технологию питания через Ethernet (англ. Power over Ethernet, сокращенно РоЕ).
По кабелям локальных компьютерных сетей Ethernet передается не только цифровая информация, но и электропитание для сетевых устройств. Напряжение питания 48 В постоянного тока. В сетях Ethernet Cat5 и выше используется стандарт РоЕ plus (IEEE 802.3at-2009), допускающий подключать к сети нагрузку мощностью до 25,5 Вт на одно устройство. На самом деле, по кабелю Ethernet физически можно передавать питание с мощностью до 60 Вт, но так как это не соответствует нормам IEEE802.3at-2009, возможны проблемы с совместимостью.
Технологию РоЕ можно использовать для питания светодиодных светильников постоянным током в офисных зданиях. Главная проблема заключается в том, что для типичного офисного светильника, устанавливаемого в потолки типа «Армстронг», световой поток должен быть не менее 3000 лм, значит, чтобы светильник без проблем подключался к стандартной компьютерной сети, его полная светоотдача должна быть не менее 120 лм/Вт.
Пока столь высокая светоотдача всего устройства возможна лишь для дорогих светильников, ценой более 3000 руб. Поэтому выигрыш можно получить лишь в «умных» системах управления освещением, когда к каждому светильнику и так подходят провода компьютерной сети и не нужно тратиться на прокладку кабелей электропитания. Именно такой принцип реализован в светильнике компании Philips «Световые решения» с питанием по технологии РоЕ, представленном в 2014 году.
Выбор напряжения для питания светильников постоянным током
Чем ниже напряжение, тем, при равной толщине проводов, выше потери при передаче электроэнергии. Это наглядно показано на диаграмме рис. 2.
Как видно из диаграммы, наиболее перспективным является использование для питания светодиодного освещения 380 В постоянного тока. Помимо меньших потерь, обеспечивается совместимость с электрооборудованием крупных ЦОД. Возможность принятия данного стандарта зависит и от того, насколько стандарт электропитания, изначально разработанный для ЦОД, приживется для серверов, устанавливаемых в офисах. Если для офисных серверов будут предусматривать отдельную электропроводку, ничто не мешает питать от нее еще и светильники. Единственная проблема — пока что светодиодные светильники на 380 В постоянного тока серийно не производятся.
Другой сценарий развития событий, который автор данной статьи считает вполне реалистичным, предусматривает создания стандарта электропитания «де-факто», как произошло с интерфейсом USB, который теперь чаще используется для зарядки и питания мобильных устройств, нежели для передачи данных. Точно так же стандартом для питания светодиодных светильников де-факто может стать напряжение 48 В постоянного тока, так как оно используется в технологии РоЕ plus. Недостатками являются необходимость использования дорогостоящих проводов с низким сопротивлением, а также невысокая дальность передачи электроэнергии — не более 100 м от питающей подстанции. Но развитие систем «умного» освещения делает указанные недостатки менее значимыми.
Литература:
- Waffenschmidt Е. Direct Current (DC) Supply Grids for LED Lighting // LED Professional N48, Mar/Apr 2015.
- Sinopoli J. Using DC power to save energy - and end the waroncurrents // http://www.greenbiz.com/news/2012/11/15/using-dc-power-save-energy-end-war-currents.
