Методика розрахунку та оптимізації автономних фотоелектричних систем вуличного освітлення з урахуванням кліматичних умов

Антоненко, Олександр Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7095

Title:	Методика розрахунку та оптимізації автономних фотоелектричних систем вуличного освітлення з урахуванням кліматичних умов
Authors:	Семко, Олександр Вікторович Антоненко, Олександр Володимирович
Keywords:	автономна сонячна електростанція;сонячна панель;сонячна радіація;вуличне освітлення
Issue Date:	Dec-2025
Abstract:	У роботі проаналізовано сучасні джерела відновлюваної енергії та перспективи їх використання для автономного вуличного освітлення на основі сонячних батарей. Розглянуто застосування програм SolidWorks, PVGIS і HOMER для моделювання, прогнозування генерації та оптимізації енергетичних систем, розроблено алгоритм світлотехнічного розрахунку. Запропоновано методику визначення потужності сонячних панелей з урахуванням інсоляції та потреб освітлення. Моделювання та візуалізація підтвердили коректність розрахунків і відповідність нормативним вимогам. Доведено технічну та економічну доцільність впровадження автономних фотоелектричних установок для вуличного освітлення в Україні.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7095
Appears in Collections:	141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
ВКРМ_Антоненко.pdf Restricted Access		4.42 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(назва факультету)
Кафедра електротехнічних систем
(повна назва кафедри)

«До захисту допущено»
Завідувач кафедри ЕТС
Валентин ТКАЧЕНКО
______________________
“_____” __________2025 р.
.

Кваліфікаційна робота
на здобуття ступеня вищої освіти магістра

на тему:
«Методика розрахунку та оптимізації автономних фотоелектричних
систем вуличного освітлення з урахуванням кліматичних умов»

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу, групи мЕСЕ–44
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)

Антоненко Олександр Володимирович ____________
(прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис)

Науковий керівник РhD, ассистент Олександр СЕМКО ____________
(наук. ступінь, вчене звання Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис)

Нормоконтроль к.т.н., доцент Костянтин КЛЮЧКА ____________
(наук. ступінь, вчене звання Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис)

Засвідчую, що у цій кваліфікаційній роботі немає запозичень з праць інших
авторів без відповідних посилань.
Здобувач вищої освіти ______________
(підпис)

Черкаси 2025 р.
3

РЕФЕРАТ

По структурі робота складається зі вступу, трьох розділів основної
частини та висновків основних результатів дослідження. Загальна кількість
сторінок – 89, рисунків – 74, таблиць – 19, використаних літературних
джерел – 23.
Мета кваліфікаційної магістерської роботи: Обґрунтувати та
розробити методику розрахунку та оптимізації параметрів автономних
фотоелектричних установок (ФЕУ) для вуличного освітлення з урахуванням
кліматичних умов конкретних регіонів, із застосуванням сучасних
програмних засобів моделювання та світлотехнічного аналізу.
На основі мети дослідження, сформульовані такі завдання:
- проаналізувати сучасні автономні системи вуличного освітлення на
базі сонячних батарей та гібридних установок;
- визначити складові елементи ФЕУ та їх технічні характеристики
(сонячні модулі, акумулятори, контролери, світлодіодні світильники);
- дослідити вплив кута нахилу та орієнтації сонячних панелей на
ефективність виробництва електроенергії;
- виконати розрахунок енергоспоживання та необхідної потужності
фотоелектричних систем для різних кліматичних умов (на прикладі м.
Чернігів та м. Херсон);
- провести світлотехнічне моделювання вуличного освітлення з
використанням програми DIALux;
- застосувати програмний комплекс HOMER для оцінки техніко-
економічних показників роботи ФЕУ та оптимізації параметрів;
- розробити алгоритм комплексного розрахунку автономних систем
освітлення, що об’єднує результати електротехнічного та
світлотехнічного аналізу.
У першому розділі проаналізовано сучасні джерела відновлюваної
енергії та перспективи їх застосування. Розглянуто конструктивні
4

особливості автономних систем освітлення на основі сонячних батарей,
наведено приклади технічних рішень. Проведено економічну оцінку
ефективності таких установок для вуличного освітлення.
У другому розділі розглянуто можливості застосування SolidWorks для
створення 3D-моделей обладнання, інструменту PVGIS для прогнозування
сонячної генерації та програми HOMER для оптимізації енергетичних
систем. Розроблено алгоритм світлотехнічного розрахунку автономних ФЕУ.
Комплексне використання програм забезпечує повний цикл проєктування –
від технічного моделювання до оцінки економічної ефективності .
У третьому розділі запропонована методика розрахунку, що дозволяє
визначити необхідну потужність сонячних панелей з урахуванням рівня
інсоляції та реальних потреб освітлення. Для м. Херсон оптимальними є
панелі 300 Вт (монокристалічні, ККД 14%, кут нахилу 35°), для м. Чернігів –
понад 400 Вт (тонкоплівкові, ККД 6%, кут 45°). Моделювання у PVGIS та
HOMER підтвердило коректність результатів розрахунку. Візуалізація у
Dialux показала відповідність вимогам ДБН щодо рівня освітленості.
Доведено технічну доцільність впровадження автономних ФЕУ для
вуличного освітлення в Україні .
Ключові слова: автономна сонячна електростанція, сонячна панель,
сонячна радіація, вуличне освітлення.

5

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І
ТЕРМІНІВ ................................................................................................................ 7
ВСТУП ..................................................................................................................... 8
РОЗДІЛ 1. ВІДНОВЛЮВАНА ЕНЕРГЕТИКА ТА АВТОНОМНІ СИСТЕМИ
ОСВІТЛЕННЯ ....................................................................................................... 11
1.1. Джерела відновлюваної енергетики та перспектива їх застосування ...... 11
1.2. Автономні системи освітлення на основі фoтoелектричних уcтaнoвок... 13
1.3. Економічна ефективність aвтoнoмних фoтoелектричних уcтaнoвoк
вуличного освітлення ............................................................................................ 34
1.4. Висновки до розділу 1 ................................................................................... 37
РОЗДІЛ 2. ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ ПРОЕКТУВАННЯ
АВТОНОМНИХ СИСТЕМ .................................................................................. 38
2.1. Конструктивне виконання у програмі SolidWorks ..................................... 38
2.2. PVgis ................................................................................................................ 40
2.2.1. PVGIS для віддалених автономних систем в Азії, Африці та
Європі ............................................................................................................... 42
2.2.2. Використання PVGIS для автономних систем освітлення ........... 44
2.3. Програма «HOMER» ...................................................................................... 46
2.4. Алгоритм світлотехнічного розрахунку автономних фотоелектричних
установок для вуличного освітлення .................................................................. 50
2.5. Висновки до розділу 2 ................................................................................... 53
РОЗДІЛ 3. РОЗРАХУНОК ТА ОПТИМІЗАЦІЯ АВТОНОМНИХ ФЕУ ДЛЯ
ВУЛИЧНОГО ОСВІТЛЕННЯ В УМОВАХ РІЗНИХ КЛІМАТИЧНИХ
РЕГІОНІВ УКРАЇНИ ............................................................................................ 55
6

3.1. Методика розрахунку визначення потужності фотоелектричної
установки ................................................................................................................ 55
3.1.1. Розрахунок потужності ФЕП для міста Херсон ............................ 56
3.1.2. Розрахунок потужності ФЕП для міста Чернігів ........................... 72
3.2. Висновки до розділу 3 ................................................................................... 84
ВИСНОВКИ ........................................................................................................... 86
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................. 88

7

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І
ТЕРМІНІВ

ВДЕ – відновлювані джерела енергії
ДС – джерела світла
ЕЕ – електроенергія
ЗО – зовнішнє освітлення
ВО – вуличне освітлення
ВЕ – відновлювана енергетика
АСО – автономна система освітлення
СБ – сонячна батарея
АКБ – акумуляторна батарея
СП – світловий прилад
СС – світлодіодна система
ОСЕ – одиниця світлової енергії
ККД – коефіцієнт корисної дії
КН – кут нахилу
ФЕУ – фотоелектрична установка

8

ВСТУП

Енергозбереження та енергоефективність є одним із найактуальнішим
та пріоритетним завданням сьогодення. Стрімке зростання світового
споживання енергоресурсів, вичерпання запасів традиційних джерел енергії,
погіршення екології навколишнього середовища змушують людство
знаходити шляхи зменшення споживання енергоресурсів та розвитку
альтернативних (відновлюваних) джерел і технологій отримання енергії.
Енергоефективність на сьогоднішній день є реальним та рентабельним
ресурсом, збільшення якого є одним із пріоритетним напрямком майбутнього
фінансового зростання.
Несприятлива екологічна ситуація, стрімке зростання цін на
енергоносії, зниження запасів корисних копалин призводить до пошуку
нових або забутих старих альтернативних джерел енергії.
Відновлювані джерела живлення вважаються джерелами, які за
людськими масштабами є невичерпними. Основний принцип використання
ВДЕ полягає у отриманні енергії з навколишнього середовища та її
застосування у процесах у вигляді необхідного для людини ресурсу.
Актуальність теми кваліфікаційної роботи: Відновлювані джерела
енергії формуються на основі постійно діючих або періодично повторюваних
природних процесів. Одним із перспективних напрямів у світі та Україні є
використання сонячного випромінювання у поєднанні з сучасними
високоефективними джерелами світла – світлодіодами (LED). Перевагами
таких установок є екологічна безпечність, довговічність, пожежо- та
електробезпека, а також можливість отримання суттєвої економії
електроенергії під час перетворення сонячної енергії. Автономні системи
такого типу не потребують прокладання кабельних мереж або спорудження
повітряних ліній електропостачання. Таким чином, тема моєї кваліфікаційної
магістерської роботи є актуальною.
9

Мета кваліфікаційної магістерської роботи: Обґрунтувати та
розробити методику розрахунку та оптимізації параметрів автономних
фотоелектричних установок (ФЕУ) для вуличного освітлення з урахуванням
кліматичних умов конкретних регіонів, із застосуванням сучасних
програмних засобів моделювання та світлотехнічного аналізу.
На основі мети дослідження, сформульовані такі завдання:
- проаналізувати сучасні автономні системи вуличного освітлення на
базі сонячних батарей та гібридних установок;
- визначити складові елементи ФЕУ та їх технічні характеристики
(сонячні модулі, акумулятори, контролери, світлодіодні світильники);
- дослідити вплив кута нахилу та орієнтації сонячних панелей на
ефективність виробництва електроенергії;
- виконати розрахунок енергоспоживання та необхідної потужності
фотоелектричних систем для різних кліматичних умов (на прикладі м.
Чернігів та м. Херсон);
- провести світлотехнічне моделювання вуличного освітлення з
використанням програми DIALux;
- застосувати програмний комплекс HOMER для оцінки техніко-
економічних показників роботи ФЕУ та оптимізації параметрів;
- розробити алгоритм комплексного розрахунку автономних систем
освітлення, що об’єднує результати електротехнічного та
світлотехнічного аналізу.
Об'єкт дослідження – фотоелектричні системи автономного
електропостачання.
Предмет дослідження – відновлювальні джерела енергії.
Методи досліджень. В роботі використовувалися теоретичні методи
визначення погодинної сонячної радіації протягом року та визначення кута
нахилу сонячної батареї.
Наукова новизна дослідження полягає у використанні сукупності
програмних засобів для оцінки проекту.
10

Апробація роботи. Основні аспекти наукового дослідження
магістерської роботи були обговорені на студентській науково-практичній
конференції ЧДТУ, яка відбувалася 22-24 квітня 2025 р.

11

РОЗДІЛ 1
ВІДНОВЛЮВАНА ЕНЕРГЕТИКА ТА АВТОНОМНІ СИСТЕМИ
ОСВІТЛЕННЯ

1.1. Джерела відновлюваної енергетики та перспектива їх
застосування

Енергія Сонця є джерелом життя на планеті. У рік Земля отримує від
Сонця приблизно 8∙1024 Дж або 2∙109 ТВт·год. Для порівняння: усі
електростанції світу, за даними Міжнародного енергетичного агентства
(IEA), виробили у 2017 році менше 2∙104 ТВт·год. Це означає, що Сонце
поставляє Землі в 100000 разів більше енергії, ніж виробляють всі разом узяті
електростанції світу [12]. Як описується в [7, 10], в даний час проблема
енергозбереження, енергоефективності та екології у світі стоїть досить
гостро. У зв'язку з цим використання енергії Сонця знаходить все більше і
більше поширення.
Наступним видом відновлюваної енергії є енергія вітру. Енергія вітру
землі невичерпна. Вітрогенератори – пристрої, що перетворюють кінетичну
енергію в електричну. Установка вітрогенераторів без додаткового джерела
живлення нераціональна. У випадку кількох безвітряних днів акумулятори
без підзарядки розряджаються і тим самим зменшується їх термін
експлуатації [2]. Акумуляторна батарея (АКБ) може розрядитися настільки,
що система не вироблятиме ЕЕ для споживання. Тому в системі має бути
резервне джерело живлення – для цього можна використовувати
підключення до загальної електромережі, бензинові або дизельні генератори
або сонячні фотоелектричні станції. Використання сонячної електростанції є
оптимальним рішенням, тому що не потребують палива або витрат на
12

утримання, а також найбільш ефективні в літній період, коли швидкість вітру
зазвичай нижча [2, 23].
Вітрогенератор у поєднанні із сонячною фотоелектричною станцією
називається гібридною автономною установкою, принцип роботи якої
полягає у генерації електроенергії за допомогою сонячних модулів та
вітрогенератора (рис. 1.1) з подальшим накопиченням енергії в
акумуляторних батареях [8].

Рис. 1.1. Гібридна автономна установка

Наявність вітрогенератора дозволяє живити освітлювальну установку
та проводити зарядження акумуляторів у похмуру погоду та у нічний час
доби.
Якщо акумулятор повністю заряджений, а навантаження відсутнє, то
контролер підключає до електрогенератора баластний опір. Зовсім без
навантаження вітрогенератор використовувати не можна, оскільки тоді
швидкість обертання вітрового колеса може стати неприпустимою, що
призведе до руйнації пристрою [2].
13

1.2. Автономні системи освітлення на основі фoтoелектричних
уcтaнoвок

Автономні системи освітлення на сонячних модулях призначені для
автономного освітлення вулиць, парків, скверів автомобільних стоянок та
інших об'єктів. Принцип роботи системи освітлення ґрунтується на
використанні енергії сонячного світла [12].
Система автономного світлодіодного освітлення є установкою у галузі
альтернативних джерел енергії, автоматизації, оптики, електроніки [20]. До
складу моделі ФЕУ для вуличного освітлення входять елементи, що
представлені на рис. 1.2:
1 Сонячний модуль.
2 Інтелектуальний контролер із функцією зберігання та обробки даних.
3 Світлодіодний світильник.
4 Блок акумулятора.

Рис. 1.2. Функціональна схема ФЕУ для вуличного освітлення

Час роботи автономної системи освітлення залежить від потужності
сонячної батареї, ємності акумулятора, від тривалості та рівня денного
освітлення. Фотоелектричні (сонячні) модулі перетворюють сонячне
випромінювання на електричний струм, який за світловий час доби
накопичується в акумуляторах. З настанням темної частини доби
14

інтелектуальний заряд-контролер вмикає енергоефективний LED світильник,
забезпечуючи тим самим освітлення необхідної території [3, 7]. Системи
освітлення на сонячних модулях дозволяють досягти повної енергетичної
незалежності, особливо в місцях, де прокладення кабелю неможливе або
занадто дороге або не можливо через відсутність електричних мереж.
Як відомо, сонячні панелі працюють ефективніше, у випадку
максимального сонячного опромінення, яке потрапляє в їхню площину.
Таким чином, основною умовою ефективності роботи фотоелектричних
установок є максимальне отримання сонячної енергії від сонячних панелей
протягом якомога більшого проміжку часу, шляхом направлення у бік Сонця
та щоб кут їхньої площини нахилу до Сонця був якомога більшим [9].
Спостереження за Сонцем у ФЕУ здійснюється за допомогою сонячного
трекера (рис. 1.3), принцип роботи механізму якого полягає в його здатності
відстежувати рух Сонця за його траєкторію, а також постійно здійснювати
поворот, слідуючи за ним з ранку і до пізнього вечора [4].

Рис. 1.3. Сонячний трекер

На сьогоднішній день вартість готового сонячного трекера складає
близько 26000 гривень [11]. Відповідно для автономних систем встановити
готовий трекер неефективно. Цю установку стеження за Сонцем,
рентабельно використовувати у сонячних електростанціях великої
потужності (рисунок 1.3), а в автономних системах вуличного освітлення
15

правильним рішенням буде визначити найоптимальніший кут нахилу
сонячних панелей. Правильне визначення кута нахилу сонячної батареї може
збільшити виробництво ЕЕ, при цьому визначення оптимального кута СБ
одна із основних умов при створенні автономної системи електропостачання
вуличного освітлення.
Існуючі фотоелектричні установки, що використовуються в Україні.
Розглянемо автономні фотоелектричні освітлювальні установки, які
використовуються в Україні та є лідерами на енергетичному ринку в даний
час [22]:
1. Shenzhen Shinehui Technology Co., Ltd. (Китай) [22], (рис. 1.4,
таблиця 1.1).

Рис. 1.4. Інтегрований вуличний ліхтар на сонячній батареї

Технічні характеристики інтегрованого вуличного ліхтаря на сонячній
батареї представлені в таблиці 1.1.
Всі функціональні елементи даного пристрою розташовані в одному
корпусі, що розміщується на вершині опори освітлення. Застосування цієї
моделі в Черкаській області ускладнене характеристиками акумулятора, який
16

використовується в установці. Літій-іонний акумулятор втрачає можливість
отримувати заряд при низьких температурах, що призводить до повної
втрати працездатності системи у зимовий час. Даний ліхтар може знайти своє
застосування в більш теплому кліматі на півдні України або при необхідності
в освітленні тільки при плюсовій температурі навколишнього середовища.

Таблиця 1.1
Характеристики інтегрованого ліхтаря виробництва Shenzhen
Shinehui Technology Co., Ltd. Китай
№ Характеристика Значення
1 Панель сонячної батареї Максимальна потужність 18Вт 60W
(монокристалічний кремній)
2 Акумулятор Літій-іонний 12,8V
Максимальна потужність 12V 40W,
3 Світлодіодна лампа Люмен (LM) 4000-4400lm,
Кут огляду 120 град.
Датчик руху
4 Час зарядження від сонця 6 годин
5 Час розрядження 15 годин повної потужності
6 Робоча температура 0 до +70 С
7 Кольорова температура 6000 k
8 Висота установки 7-8 метрів
9 Рекомендована відстань між
опорами 18-20 метрів
10 Матеріал алюмінієвий сплав
11 Ступінь захисту IP 65
12 Розмір виробу 1170 х 330 х 140 мм
13 Вага виробу 17 кг
14 Ціна без опори 8526 грн.

2. Компанія «Sun Shines» (Китай).
Зовнішній вигляд установки зображений рисунку 1.5, а. На рисунку 1.5,
б приклад освітлення пішохідного переходу і зупинки громадського
транспорту з використанням світильника «Sun Shines» [22].
Автономна система освітлення 20 Вт встановлюється на наявні опори з
діаметром 76 або 89 мм. Комплект системи призначений для заміни
17

традиційних вуличних світильників з живленням від мережі, а також для
освітлення ділянок, на яких ускладнене і неможливе підведення електричної
енергії. Автономна система освітлення незамінна для освітлення доріг за
населеними пунктами, зупинок громадського транспорту за населеними
пунктами, віддалених об'єктів, у яких відсутня електрична мережа, а також
для освітлення вулиць, дворових зон, автомобільних парковок, пішохідних
переходів [22].

а) б)
Рис. 1.5. Фотоелектрична установка «Sun Shines»: а) зовнішній
вигляд установки «Sun Shines»; б) приклади використанння

Можливе використання світильників з вбудованими датчиками руху з
радіусом дії 12-15 метрів.
Таблиця 1.2
Технічні характеристики ФЕУ «Sun Shines»
№ Характеристики Значення
1 Потужність сонячної батареї 95 Вт
2 Ємність акумуляторної батареї 65 А∙год.
3 Напруга холостого ходу СБ 21 В
4 Напруга СБ в точці максимальної потужності 17 В
5 Тип світильника світлодіодний
6 Потужність світильника 20 Вт
7 Світловий потік світильника 2100 лм
8 Час роботи без підзарядження 180-360 год
9 Робоча напруга 12 В
10 Температура експлуатації від -40 до +85 °С

18

Рис. 1.6. Габаритні розміри ФЕУ компанії «Sun Shines»

19
3. Opti-light, модель AT-0300B 100W [22].
Зовнішній вигляд установки AT-0300B 100W представлений на рисунку
1.7, а. На рисунку 1.7, б зображений один із варіантів установки разом із
вітрогенератором.

а) б)

Рис. 1.7. Фотоелектрична установка Opti-light: а) зовнішній вигляд
ліхтаря моделі AT-0300B 100W збільшеної потужності; б) варіант ліхтаря
разом із вітрогенератором

В установці фірми Opti-light застосовуються двосторонні сонячні
панелі, що володіють наступними перевагами в порівнянні зі стандартними
односторонніми: додаткова потужність – завдяки двосторонній чутливості і
додаткового вкладу відбитого світла. [22]. Габаритні розміри зображені на
рисунку 1.8.
В установці використовується літій-іонна батарея, але на відміну від
попередньої моделі, проблему із роботою при низьких температурах
вирішено за рахунок переміщення акумуляторів у герметичний бокс нижче
рівня землі, де у холодні місяці зберігається плюсова температура.
20
Застосовується оригінальний контролер зарядження ОЛК 12 / 24-50,
який надає функції віддаленого управління через канали бездротового
стільникового зв'язку.
Таблиця 1.3
Технічні характеристики моделі AT-0300B 100W
№ Характеристики Значення
1 Модель сонячної панелі СБ 125
2 Потужність сонячної панелі 125 Вт фронт + тил.
3 Номінальна напруга панелі 56 B
4 Скло загартоване призматичне
5 Робоча температура від -40 °С до +80 °С
6 Акумулятор LiFePO 3,2 В/100 Ач 4 шт.

Контролер випускається за технологіями розробленими компанією
Opti-light і є запатентованим пристроєм.
Вартість з опорою 68 334 грн;
З вітрогенератором – від 139 667 грн.

Рис. 1.8. Габаритні розміри установки AT-0300B 100W
21
4. Touche 5000, (Данія) [22]
Зовнішній вигляд фотоелектричної колони освітлення Touche
представлений на рисунку 1.9, а. Габарити установки зображені на рисунку
1.9, б.

Рис. 1.9. Фотоелектрична колона Touche: а) зовнішній вигляд Touche;
б) габаритні розміри Touche
22
Колона Touche спроектована для середніх широт частини Європи і
країн Скандинавії, де світло сонця обмежене протягом зими. Дана установка
є прикладом складної інтегрованої системи. Світильник не є частиною
системи і постачається окремо від іншого виробника. Можливе застосування
різних типів акумуляторів, які так як і в попередньому випадку
розташовуються нижче рівня землі у залізобетонній основі опори освітлення.
Основною особливістю колони Touche є розташування фотоелементів
практично по всій поверхні колони. Захист циліндричної сонячної панелі
здійснюється за допомогою світлопрозорого полікарбонату, матеріалу який
має ударну міцність наближену до металу, що забезпечує антивандальну
стійкість [22].
Управління освітленням можливо здійснювати за допомогою
бездротових технологій, а також на основі вбудованих датчиків або
астрономічних годинників.
Концепція Touche передбачає 3 режими функціонування:
а) Автономна робота Plug & Play.
Plug & Play є бездротовим
автономним рішенням, яке не потребує
нічого, крім спеціального фундаменту із
вбудованим батарейним відсіком.
Інтегровані сонячні батареї заряджають
акумуляторну батарею протягом дня і
витрачають протягом вечора і ночі, коли
необхідне освітлення (рис. 1.10). За
допомогою системи управління освітлення
можна регулювати потоки інтенсивності
Рис. 1.10. Автономна світла необхідного рівня, щоб
робота, режим Plug & Play максимізувати ємність батареї.

23
б) Безпечний режим функціонування Safe.
Безпечний режим полягає у використанні акумулятора в якості
основного джерела енергії, що доповнюється підключенням до мережі. У разі
низького зарядження акумуляторної батареї вбудований контролер
автоматично підключається до зовнішньої мережі, щоб запобігти будь-яке
відключення незалежно від погодних умов. Як тільки батарея заряджається,
контролер автоматично перемикається на режим роботи від батареї (рис.
1.11). Безпечний режим має ті ж функції, що і автономний режим.

Рис. 1.11. Безпечний режим функціонування Safe

в) Активний режим функціонування Active.
Робота в активному режимі відбувається при прямому підключенні до
електромережі. Надлишки електроенергії можуть бути продані
енергомережевій компанії через інвертор, що робить рішення оптимальним,
незалежним від будь-якого збою (рис. 1.12).
Технічні характеристики колони Touche, (Данія) представлені в таблиці
1.4.
24
Вартість однієї колони Touche без урахування доставки і вартості
фундаменту – 98 590 грн (2025 р.)

Рис. 1.12. Активний режим Active, підключення до мережі через інвертор

Таблиця 1.4
Технічні характеристики колони Touche (Данія)
Характеристика Значення
1 2
Висота установки світильника 2,5 м.-12,0 м.
Діаметр 180 мм.
Установка Плита основи і фундамент
Матеріал Сталь, алюміній,
полікарбонат
Тип акумулятора AGM Gel, 12 В, 100 AH.
VRLA
Очікуваний термін служби акумулятора / 5/4
Гарантія р.
Глибина розрядження акумулятора максимум 25% за цикл
Взаємозамінність акумулятора Li-on, Li-fi, AGM, Lead-
Acid, Lead-gel, Ni-Mh.
Автономність установки 3-10 днів

25
продовж. табл. 1.4
1 2
Режим роботи Автономний
Безпечний або активний
Напруга, що підтримується 10,8 - 14 В., відсічка 10,8 В
акумулятором
Робоча температура -40°C - + 85°C
LED драйвер Вбудований для 12 В
світлодіодних світильників
Максимальний вихідний струм 200-350-500 mA DC
Максимальна потужність споживачів 65 Вт
Ступінь захисту IP 66
GPRS WEB підключення 850/900/1800/1900 MHz
Управління світлом Астрономічний годинник,
365 днів
Сонячні модулі на одну колону 1-6
Розміри сонячного модуля 1700 мм. / 1000 мм / 700 мм
Технологія виготовлення фотоелементів Полікристалічні, ККД 18%
Пікова вихідна потужність 95 W
Термін служби фотоелементів 20 років (80% потужності)
Захист сонячних панелей PC/PMMA (UV-resistant)
Робоча температура -40 C - + 85 C
Вага фундаменту 650 кг.
Розмір фундаменту 500 x 600 x 1000 mm
Матеріал фундаменту Залізобетон

5. Towersun-128, EPS-soltec (Австрія) [22].
Зовнішній вигляд вид фотоелектричної установки Towersun-128, EPS-
soltec представлений на рисунку 1.13.
Світильники сімейства TOWERSUN є надійними світлодіодними
світильниками у поєднанні з фотоелектричними установками у випадку, коли
електроенергія з мережі не використовується. Завдяки використанню восьми
сонячних модулів, що розміщуються один над одним, навіть при розсіяному
світлі можна отримати високу ефективність ліхтаря. Ідеальні місця
використання фотоелектричних установок TOWERSUN – це вулиці,
тротуари, автостоянки тощо.

26

Рис. 1.13. Зовнішній вигляд фотоелектричної установки Towersun-128

TOWERSUN – це вуличний світлодіодний ліхтар на сонячних батареях,
який може встановлюватися у будь-якому місці, де відсутні джерела
електроенергії і потрібна надійна робота навіть в умовах поганої
освітленості. Завдяки кубічній алюмінієвій конструкції з 2x4
фотоелектричними модулями, можна отримати достатньо енергії від
27
розсіяного світла, особливо в районах із поганими погодними умовами.
Перпендикулярне розміщення модулів перешкоджає відкладенню снігу
взимку. Унікальні функції енергозбереження забезпечують надійну роботу
протягом декількох ночей навіть в погану погоду [22]. У відповідності з
європейським стандартом DIN EN13201, завдяки показниками освітленості,
ліхтарі TOWERSUN рекомендується встановлювати на вулицях житлових
районів, на другорядних дорогах, парковках тощо.
Функціонування. Вбудований акумулятор заряджається протягом дня
за допомогою 8 фотоелектричних модулів, а при наступанні темної пори
доби ця енергія використовується для живлення світлодіодного ліхтаря.
Габаритні розміри Towersun-128 показані на рисунку 1.14.
Технічні характеристики установки Towersun-128 представлені в
таблицях 1.5 та 1.6.

Таблиця 1.5
Технічні характеристики установки Towersun-128
№ Характеристика Значення
1 2 3
1 Сонячні модулі 8 елементів, монокристалічні кремнієві комірки
2 Вихідна потужність 128 Вт (8 модулей). Модулі заряджаються також
(макс.) при розсіяному світлі (від 8% до 15% від норми)
3 Акумулятор 1х 36 А∙год.
4 Робоча температура -20°С до + 50°С
5 Термін експлуатації Близько 5-6 років (залежить від температури)
акумулятора
6 Гарантія 2 роки
7 Розміри установки 237 мм. х 237 мм. х 1310 мм.
8 Тип захисту IP 65
9 ККД соняч. панелей 18%
Освітлювальний блок
10 Кількість світлодіодів 16 елементів
11 Світловий потік 1360 лм
12 (Кольо)р ова 6500К, холодний білий

28
продовж. табл. 1.5
1 2 3
13 Термін експлуатації світлодіодного > 50000 годин
елемента
15 Сучасні світлодіоди Світло не приваблює комах
Розміри
16 Загальна висота від рівня землі 5743 мм

17 Висота лампи від рівня землі 4200 мм
18 Загальна довжина опори 5500 мм
19 Глибина опори в землі 750 мм
20 Матеріали Сталь з порошковим покриттям /
чорний
Періоди технічного обслуговування / гарантія
21 Рекомендована заміна акумулятора / через 6 років / через 12 років
світлодіода
22 Гарантія 2 роки (включаючи акумулятор)
23 Гарантія (гарантійний термін 3 роки, 100-відсоткова гарантія
починається з дати на продукт
виробництва) 5 років, гарантія мінімальної

Таблиця 1.6
Керування електроспоживанням та часом
№ Функціонування Яскравість Час
1 Зменшення яскравості 50% 24:00-5:00
2 Вимкнено 0% 24:00-5:00
3 Постійне освітлення (з керуванням Освітлення на
енергоспоживанням) 100% всю ніч

4 Оптимізація витрат енергії
див. рис. 1.15

29

Рис. 1.14. Габаритні розміри установки з використанням гвинтових
свай компанії Krinner

30

Рис. 1.15. Графік опції оптимізації витрат енергії

Криві розподілу світла світильника, який встановлений в Towersun-128
представлено на рисунку 1.16.

Рис. 1.16. Крива розподілу інтенсивності світла DIALux, одна і дві лампи
TowerSun
31
Окрім великих моделей TOWERSUN 128 є також моделі, що
розширюють сферу застосування світильників сімейства TOWERSUN:
− TOWERSUN 64 зі зниженою світловіддачею;
− модель TOWER-LIGHT із додатковою функцією регулювання
напряму світла у варіанті для пішохідних зон і площ;
− STATIONSUN, яка призначена для зупинок громадського транспорту.
Рекомендована вартість TowerSun-128 в комплекті з опорою 51 496 грн.
(2025 р.).
Зведемо дані по всіх розглянутих у цьому пункті установках для
зовнішнього освітлення до таблиці 1.7.

32

33
Всі вище наведені фотоелектричні установки функціональні і
різноманітні за своїми технічними характеристиками, мають свої переваги та
недоліки. Вони можуть знайти собі повноцінне застосування у тих умовах
для яких вони були спроектовані та розроблені.
В ході порівняльного аналізу ретельно розглянуто всі варіанти. Перший
варіант виключений через неможливість його нормального функціонування в
місцевих кліматичних умовах. Третій і четвертий варіанти є поки ще
несерійною продукцією і мають відносно високу вартість, що робить їх
застосування недоцільним. Вибір залишається між другим і п'ятим варіантом,
продукцією фірми SunShines і моделлю TowerSun фірми EPS-soltec.
Незважаючи на більш високу вартість модель TowerSun-128, на відміну від
SunShines, максимально повно задовольняє всім вимогам. Крім автономності,
вона має наступні переваги:
- найбільш оптимальна конструкція фотоелектричних панелей, які
розташовані вертикально, що перешкоджає відкладенню на них опадів і снігу
в зимові місяці;
- кубічна конструкція фотоелектричної установки більш компактна,
вона менша за інші і не перекриває поле зору пішоходів, що з естетичної
точки зору особливо важливо в рекреаційних зонах відпочинку;
- ефективніша за рахунок використання сучасного контролера з
функцією стеження за точкою максимальної потужності і світлодіодного
світильника з високою світловою віддачею;
- в перспективі, збільшуючи дану систему, можна досягти концепції
автономних фотоелектричних колон-накопичувачів енергії.
Установка фотоелектричних систем дозволяє не тільки економити
електроенергію, яка споживається з мережі, але і зменшити вартість
інфраструктури через відсутність необхідності в підстанціях,
трансформаторах, розподільних пунктах і щитах.
Термін окупності проектів із врахуванням відсутності
енергоспоживання від мережі і зниження витрат на обслуговування, може
34
сягати 20 років, що не перевищує передбачуваний виробником ресурс в 25
років. Традиційна сировинна енергетика приречена на постійне споживання
ресурсів планети.
Подібні малопотужні ФЕУ мають великий потенціал для свого
впровадження і знаходять застосування в міській інфраструктурі,
важкодоступних місцевостях, для освітлення зупинок громадського
транспорту, для тимчасового освітлення, а також у багатьох інших випадках,
у яких необхідна автономна робота малопотужних споживачів, таких як
енергопостачання засобів зв'язку, відеоспостереження, інформаційні засоби
міської інфраструктури тощо.
Незначне застосування фотоелектричних установок вуличного
освітлення обумовлено їх високою ціною і високими початковими
капітальними затратами, зменшити які до необхідного рівня зможе тільки
локалізація виробництва або серійний випуск подібної продукції на території
України [1].
Технології, які використовуються в пристроях сонячної енергетики,
мають явну тенденцію до вдосконалення і здешевіння, що в кінцевому
підсумку прискорить поширення і зробить їх застосування більш масовим.

1.3. Економічна ефективність aвтoнoмних фoтoелектричних
уcтaнoвoк вуличного освітлення

Переваги aвтoнoмних фoтoелектричних уcтaнoвoк:
- не потребує підключення до електричної мережі та прокладання
кабелю або повітряної лінії;
- працює в автоматичному режимі, не потребує регулювання та
обслуговування;
- не потребує витрат при монтажі та експлуатації;
- має низьку ціну (п. 1.2).
35
Основне призначення ФЕУ зі світлодіодними ліхтарями – заміна
вуличних світильників з лампами ДРЛ, ДНаТ, ДРІ та збільшення економічної
ефективності та надійності систем освітлення [5].
Для наочної демонстрації економічної ефективності наведемо
розрахунки вартості одиниці світлої енергії [6].
Вартість ОСЕ (одиниця світлової енергії) розраховується за виразом
[16]

G = q ⋅ η−1
12 v +C ⋅ (Ф ⋅ τ)−1,

де q – тариф на ЕЕ, грн/кВт год;
ηv – світлова віддача джерела світла, лм/Вт,
С – вартість ДС, грн;
τ – термін служби ДС, год;
Ф – потік ДС, клм.

Для розрахунку обрані лампи ДРЛ, ДНаТ та світлодіодні (таблиця 1.8).

Таблиця 1.8
Параметри типів ламп, що розглядаються [5]
Тип Номінальна Споживана
активна Середня тривалість Світловий
потужність, Вт потужність, Вт горіння, тис. год потіук, клм
ДРЛ-125 125 130 12 7
ДРЛ-250 250 270 12 12
ДРЛ-400 400 440 15 25
ДНаТ-100 100 114 6 9,5
ДНаТ-250 250 280 15 25
ДНаТ-400 400 450 15 45,5
СД-аналог
ДРЛ-125 40 45 до 30 2,6
СД-аналог ДРЛ-
250 80 85 до 20 5*

36
Таблиця 1.9
Розрахунок значень G12 ламп ДРЛ, ДНаТ і СД.
Вартість одиниці світлової енергії та величина
Тип Номінальна зворотної СЕ при тарифі на ЕЕ q, грн./кВт∙год,
потужність, Вт що дорівнює
4 6 8
ДРЛ-125 125 48,2 / 22,5 71,5 / 15,3 95,8 / 11,5
ДРЛ-250 250 44,3 / 25,1 65,2 / 16,8 86,4 / 11,7
ДРЛ-400 400 38,5 / 28,7 57,8 / 18,5 74,8 / 15,7
ДНаТ-100 100 27,5 / 40,7 38,4 / 27,5 53,1 / 22,9
ДНаТ-250 250 24,7 / 46,5 35,6 / 21,4 47,9 / 22,7
ДНаТ-400 400 19,6 / 58,4 29,8 / 38,0 38,1 / 28,4
СД-аналог ДРЛ-125 40 32,6 / 28,4 44,9 / 15,6 65,8 / 15,9
СД-аналог ДРЛ-250 80 32,4 / 29,5 47,6 / 19,9 65,6 / 14,1

Рис. 1.17. Залежність вартості світлової енергії від тарифу на ЕЕ

Рис. 1.18. Залежність величини зворотної СЕ від тарифу ЕЕ

37
1.4. Висновки до розділу 1

1. Встановлено, що функціонування сучасної альтернативної
енергетики в промисловому масштабі значно обмежене рівнем технологій і
сформованою світовою кон'юнктурою, але використання енергії сонця, як
джерела живлення систем вуличного освітлення – це перший логічний крок
на шляху до освоєння можливостей сонячної енергетики і відмінний приклад
можливості функціонування децентралізованої автономної мікроенергетики.
2. Встановлено, що висока вартість компонентів і традиційних
енергоносіїв збільшують терміни окупності фотоелектричних систем, що в
свою чергу потребують багаторазового підвищення їх надійності та рівня
автономності, зниження експлуатаційних витрат і виключення впливу
людського фактору. На основі аналізу встановлено, що установку
автономних ФЕУ вуличного освітлення здійснюють тільки у напрямку
півдня, звідки можна максимально отримати енергію сонця, з врахуванням
коректного кута нахилу.
3. Проведено порівняльний аналіз існуючих на ринку України
сонячних електростанцій для живлення систем вуличного освітлення.

38
РОЗДІЛ 2
ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ ПРОЕКТУВАННЯ
АВТОНОМНИХ СИСТЕМ
2.1. Конструктивне виконання у програмі SolidWorks

Автономні світлодіодні ліхтарі не потребують підключення до
електричної мережі та прокладки кабелю, не споживають електричну енергію
від електромережі. Зовнішній вигляд даного ліхтаря на опорах наведено на
рис. 2.1 [3].
Підключення світлодіодних ліхтарів із сонячними панелями не
потребують виконання проектних робіт та отримання дозвільної
документації. Для наочної демонстрації даної установки було зроблено
конструктивне складання у програмі Solid Works. Конструкція порівняно
проста (рис. 2.1.-2.3).
Посадковий діаметр даної конструкції складає 76 мм.
Протягом усього часу роботи якість освітлення залишається майже
незмінною і додаткового обслуговування не потрібно: включення ввечері та
відключення вранці відбувається автоматично. Крім того, дощі не завдадуть
шкоди сонячним батареям завдяки вологозахисному корпусу панелей.

Рис. 2.1. Автoнoмна фoтoелектрична уcтaнoвка вуличного освітлення
39

Рис. 2.2. Збірка автoнoмної ФЕУ

Рис. 2.3. Габаритні розміри ФЕУ вуличного освітлення

Конструктивно, на рис. 2.1.-2.3 представлено комплекс, що складається
з металевої опори висотою 10 м з набором кронштейнів кріплення сонячних
панелей, світильників, а також з комплекту акумуляторних батарей та
контролера, які знаходяться у герметичному контейнері. Кількість
додаткових опор, світильників та з'єднувальних проводів визначається в ході
проектування та залежить від категорії дороги (вулиці), ширини проїжджої
частини, взаємного розташування зупинки та пішохідного переходу.

40
2.2. PVgis

PVgis є ідеальною онлайн-програмою для оцінки сонячного
виробництва електроенергії для фотоелектричних систем (рис. 2.4).
За допомогою цієї програми можна розрахувати річну вихідну
потужність сонячних фотоелектричних панелей [18].
У цій програмі інформація щодо розташування сонячних панелей,
тобто географічні дані беруться на пряму з Google maps, яке робить його
простим і точним у використанні.

Рис. 2.4. Сторінка сайту онлайн-калькулятора PVgis

Сонячний онлайн калькулятор фотоелектричної енергії дозволяє
зробити розрахунки для окремих або з'єднаних систем PV в Європі, Африці
та Азії. Окреме з'єднання на пряму з Google maps дає можливість з огляду на
генерацію сонячного випромінювання моделювати генерацію електроенергії
для автономних фотоелектричних установок.
41
Онлайн додаток Pvgis розраховує щомісячний та щорічний потенціал
виробництва електроенергії E [кВт∙год] фотоелектричної системи з певним
типом модуля із задаванням ККД установки та з певним нахилом та
орієнтацією сонячної батареї [18].
Особливість цієї програми в тому, що Pvgis доступний тільки зі
з'єднанням інтернету, англійською, італійською, французькою, іспанською та
німецькою мовами. На превеликий жаль немає україномовного варіанта.
Pvgis є вільним PV онлайн калькулятором, який реалізується в JRC
(Об'єднаний дослідницький центр) від природничих наук у домі
Європейської комісії.
Pvgis не завантажується, так як програма є онлайн калькулятором. Щоб
завантажити вільне програмне забезпечення, потрібно купити спеціальне
«Програмне забезпечення сонячної фотоелектричної енергії» або «Програмне
забезпечення інструментів від виробників інверторів», саме для отримання
деяких даних (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Загальний вигляд онлайн програми Pvgis

42
2.2.1. PVGIS для віддалених автономних систем в Азії, Африці та
Європі

Для отримання розрахунку генерації сонячної енергії для автономних
систем освітлення на сонячних батареях можна використовувати окремі
карти Африки, Азії та Європи (рис. 2.6).

Рис. 2.7. Вигляд онлайн карт: а – Європи; б – Африки; в – Азії

Це дуже корисно ефективно, щоб отримати адекватну оцінку
енергетичної потужності для автономних систем і для моделювання
установки з певною потужністю, необхідної відповідно до електричної
потреби у віддалених від електроенергії районах.

Рис. 2.8. Вигляд вікна для ведення даних
43
Після вибору місця на карті необхідно ввести:
1. номінальну потужність системи PV: Пікова потужність
фотоелектричних панелей;
2. параметри батареї: напруга та ємність;
3. межу розряду відсікання (%): мінімальний рівень розряду акумулятора
%;
4. щоденне споживання електроенергії: споживання електроприладів
протягом дня;
Додатковий погодинний файл споживання: завантажений файл
повинен складатися з 24 годинних значень, кожен за своєю лінією, із сумою
чисел, що дорівнює 1.
Також у програмі враховується дуже важлива характеристика для
автономних систем:
• кут нахилу модулів: нахил сонячних панелей;
• орієнтація модулів: орієнтація (азимут та напрямок) сонячних
панелей.
Після того, як занесені повністю дані, запускається розрахунок, в
результаті якого можна отримати графіки та таблиці, які показують (за
оцінкою) очікувану щоденну кількість електроенергії кожного місяця від
автономної системи з властивостями, які були раніше введені (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Середньодобовий результат розрахунку генерації електроенергії
44
Також програма дає можливість показати середнє значення генерації
електроенергії від автономної системи на добу та за рік. Враховуючи всі
показники онлайн-програма дає статистичні дані, такі як кількість днів, що
відповідають стану заряду або розряду АКБ (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Результати онлайн розрахунку

Він також показує в середньому протягом року продукції на добу і дає
статистичні дані, такі як кількість днів, що відповідають стану заряду або
розряду батареї.
Крім того, можна скачати безкоштовно карти випромінювання для
різних країн та регіонів:

2.2.2. Використання PVGIS для автономних систем освітлення

Для АСО використання програми PVGIS є елементарним, тому що в
одиночній системі враховуються мала потужність самої системи та малі
навантаження (повна потужність ліхтаря), а також всі параметри автономної
системи, тобто потужність сонячної панелі, ККД сонячної панелі,
навантаження та місце встановлення самої системи.
Після запуска онлайн програми необхідно:
1. Вибрати місце встановлення автономної системи. Для цього
потрібно у правому вікні, тобто на супутниковій карті знайти місце, де
45
будуть встановлені сонячні панелі танатиснувши на карту, щоб вибрати
розташування панелей.
2. Виконати такі пункти:
- променева база даних: Вибрати базу даних сонячного світла. За
умовчанням встановлено «класичний PVGIS».
- PV технології: тип фотоелектричних панелей. Вибрати тип панелі,
який відповідає установці (кристалічна сонячна батарея (моно- або полі-
PVGIS не розрізняє) тонко плівкові сонячні панелі (мідний індій селеніду);
сонячна батарея на основі телуриду кадмію (CdTe); сонячна батарея
аморфного кремнію;
- встановлена потужність PV, кВт (потужність однієї батареї, кВт);
- ймовірні втрати системи [0, 100]%: розрахункові втрати системи,
пов'язані з кабелями, продуктивність інвертора, ККД сонячної панелі тощо.
PVGIS за замовчуванням становить 14%. Потрібно враховувати те, що до цих
втрат PVGIS автоматично додає втрати, пов'язані з температурою та
відбиттям світла на панелях. В цілому, для кристалічних панелей,
встановлених у Франції сумарні втрати системи складають приблизно 26%,
що цілком реально для автономних установок освітлення.
PVGIS інтегрує температуру бази даних і, отже, автоматично
розраховує виробничі втрати, пов'язані з фактичною середньою
температурою ділянки.
PVGIS також включає топографічну базу даних, яку можна виправити
для різних варіантів монтажу автономних установок, наприклад, тип
інтеграції (підтримки) панелей, у випадку якщо є вибір між:
 вільним положенням (вентильований носій, наприклад, трикутна
структура);
 інтегрованою структурою будівлі (накладатися з невеликою кількістю
вентиляції);
 нахилом сонячної панелі [0; 90]°;
46
 оптимізація нахилу: оптимальний кут нахилу, можна встановлювати
вручну кожного разу, задаючи кут нахилу для найкращої генерації
Сонця, якщо PVGIS автоматично обчислює оптимальний кут залежно
від розташування (широта) та орієнтації панелей сонячних батарей;
 азимутальний кут °: (кут в діапазоні від -180 ° до 180 ° ... - 90 ° Схід,
Захід = 90 ° на південь = 0 °) азимутальна орієнтація сонячних
панелей;
 параметри системи стеження: варіант, який стосується лише систем
PV Tracker (панелі, встановлені на знімних каркасах, які стежать за
переміщенням Сонця). Пошук трекера: вертикальна вісь,
горизонтальна вісь (з можливістю вибору кута нахилу або
оптимізується відповідно до широти) або 2 системи координат;
 вихідні формати: вибір опції щодо формату звіту про результати
моделювання:
1. show графіка: Графічне відображення виробництва місячної та річної
електроенергії;
2. графік відображення горизонту відображає інструмент сайту;
3. веб-сайт: HTML звіт;
4. текстовий файл: звіт як .txt;
5. PDF: звіт у форматі PDF.

2.3. Програма «HOMER»

Модель оптимізації енергосистем «HOMER» – комп'ютерна програма,
розроблена американською Національною Лабораторією відновлюваних
джерел енергії (NREL), призначена для розрахунку енергосистем малої
потужності та порівняння різних способів виробництва енергії [15]. Програма
«HOMER» моделює фізичну поведінку енергосистеми та її вартість за період
експлуатації, включаючи вартість встановлення та витрати на подальшу
експлуатацію. «HOMER» дозволяє проектувальнику порівняти безліч різних
47
варіантів конструкції енергосистеми і визначити її технічні та економічні
переваги, допомагає визначити ризики, пов'язані з мінливістю погодних
умов. За допомогою комплексу «HOMER» можна розрахувати як автономну,
так і гібридну енергосистему, що виробляє теплову та електричну енергію,
яка містить різні комбінації джерел енергії (ФЕУ, вітрогенератори, мікро-
ГЕС, біогазові установки, ДВЗ, мікротурбіни, паливні елементи, АКБ та
водневі джерела). Структура програми містить 3 основні модулі:
моделювання, оптимізація та аналіз чутливості. «HOMER» представляє
результати проектування у вигляді таблиць та графіків, що полегшує
порівняння різних конфігурацій та дозволяє визначити економічні та технічні
переваги різних систем.
Опис основних вікон програми «HOMER
Загальний вигляд вікна програми представлено рис. 2.11. Файл
програми HOMER» містить всю інформацію про технологічні варіанти,
витрати та доступність ресурсу, які необхідно проаналізувати при
проектуванні. Файл також містить результати обчислень, які HOMER робить
як частину процесів оптимізації та аналізу чутливості. Розширення файлу
"HOMER" позначається. hmr, наприклад: WindVsDiesel.hmr [17].

Рис. 2.11. Загальний вигляд вікна програми «HOMER»
48
При запуску програми, завантажується останній збережений файл,
якщо програма його не знаходить, то завантажується вікно, в якому
відображається обладнання, що розглядається (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Показник річної сонячної радіації

У правій робочій області програми відображаються результати
чутливості та оптимізації вибраного обладнання, моделювання всіх
можливих системних конфігурацій у вигляді списку конфігурацій, який
можна використовувати для порівняння варіантів (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Результати чутливості
49
При натисканні на кнопку Cash Flow, на екрані відображається
номінальна та дисконтована повна розрахункова вартість, яка вказує на
економічну ефективність кожного елемента конфігурації, можна робити
заміну обладнання, тим самим визначати експлуатаційні витрати (включаючи
паливо) протягом усього терміну реалізації проекту (рис. 2.14).
Рисунок 2.14 показує виробництво електроенергії фотоелектричної
системи, а нижче графік (рис. 2.15) показує стан заряду батарей протягом
усього року.

Рис. 2.14. Вікно «Cash Flow»

Рис. 2.15. Вікно «Результати розрахунку»
50
У вікні «Результати розрахунку», можна отримати різні варіанти
відображення системної залежності змінних від світлочутливості (рисунок
2.16).

Рис. 2.16. Вікно «Результати розрахунку»

Таким чином, при використанні вище перерахованих програмних
комплексів, можна повною мірою зробити і описати проект підвищення
ефективності та надійності електропостачання вуличного освітлення за
рахунок автономних фотоелектричних установок. Так як програма Dialux
використовується для проектування фотореалістичних візуалізацій
освітлення, програма PVgis є ідеальною онлайн-програмою для оцінки
сонячного виробництва електроенергії для фотоелектричних систем, а
програма «HOMER» дозволяє порівняти та визначити їх технічні та
економічні переваги.

2.4. Алгоритм світлотехнічного розрахунку автономних
фотоелектричних установок для вуличного освітлення

Для оцінки роботи автономних систем на сонячних батареях було
розроблено алгоритм поєднання світлотехнічних та електротехнічних
програм. В алгоритмі описується можливість проектування освітлювальної
установки із заданими значеннями. Також пропонується шляхи вирішення за
допомогою АСО та стандартної установки. В алгоритмі поетапне
51
проектування оптимальних параметрів та цикл розрахунку за різних умов.
Тим самим досягаючи мети реалізації освітлювальної установки. Даний
алгоритм та ключ алгоритму представлені нижче.

Початок або кінець
алгоритму

Блок автоматичного вводу

Логічний блок

Блок обробки

Для моделювання АСО із сукупністю вище перерахованих
програмного забезпечення було побудовано алгоритм моделювання з метою
оцінки роботи (рис. 2.17).
52

Рис. 2.17. Алгоритм світлотехнічного розрахунку автономних фотоелектричних установок
53
2.5. Висновки до розділу 2

У другому розділі було розглянуто програмне забезпечення для
проєктування автономних систем вуличного освітлення на основі
фотоелектричних установок. Аналіз показав, що комплексне використання
різних програмних засобів забезпечує повний цикл проєктування – від
створення конструктивної моделі до енергетичної та економічної оцінки
ефективності системи.
Програма SolidWorks дозволяє розробляти детальні 3D-моделі
світлотехнічного обладнання, визначати конструктивні параметри та
оцінювати доцільність технічних рішень. Це забезпечує точність, наочність
та зручність при демонстрації проєкту.
Онлайн-інструмент PVGIS використовується для розрахунку
потенційної генерації електроенергії фотоелектричними панелями з
урахуванням географічного положення, параметрів акумуляторів, кута
нахилу та орієнтації панелей, що дозволяє спрогнозувати ефективність
роботи системи у конкретному районі та підібрати оптимальні технічні
характеристики.
Програмний комплекс «HOMER» надає можливість моделювання та
оптимізації різних конфігурацій енергосистем, включно з автономними та
гібридними варіантами. Він враховує технічні, економічні та експлуатаційні
аспекти, дозволяє оцінити окупність і надійність системи.
Розроблений алгоритм світлотехнічного розрахунку поєднує
результати вищезазначених програмних засобів та створює єдину методику,
яка дає змогу обґрунтувати вибір параметрів автономних фотоелектричних
систем для вуличного освітлення.
Таким чином, застосування SolidWorks, PVGIS та HOMER у комплексі
дозволяє:
• підвищити точність проєктування та розрахунків;
• забезпечити технічну і економічну обґрунтованість рішень;
54
• оптимізувати параметри автономних систем;
• підвищити ефективність і надійність електропостачання вуличного
освітлення.
Отримані результати підтверджують доцільність використання
сучасних програмних засобів для проєктування автономних систем
освітлення, що базуються на відновлюваних джерелах енергії.

55
РОЗДІЛ 3
РОЗРАХУНОК ТА ОПТИМІЗАЦІЯ АВТОНОМНИХ ФЕУ ДЛЯ
ВУЛИЧНОГО ОСВІТЛЕННЯ В УМОВАХ РІЗНИХ КЛІМАТИЧНИХ
РЕГІОНІВ УКРАЇНИ

3.1. Методика розрахунку визначення потужності фотоелектричної
установки

За алгоритмом (п. 2.4) для проектування aвтoнoмних фoтoелектричних
уcтaнoвoк для вуличного освітлення, потрібно визначити основні параметри
системи, а також стандартний сонячний потік та параметри сонячної радіації
для визначеної географічної місцевості, що є важливими показниками.
Стандартний сонячний потік розраховується для площі один
квадратний метр. Але точна площа частин сонячної панелі нам не відома.
Таким чином, орієнтуємось на номінальну потужність при 25 °С для
звичайного потоку сонячного світла в 1 кВт / м2.
Прийнявши потужність сонячного випромінювання у площині Землі
(граничну інсоляцію) отримуємо, що виробництво сонячними панелями ЕЕ
належить до інсоляції квадратного метра і що потужність сонячної батареї
належить до сили сонячного випромінювання у Земної площині, що
становить 1 квадратний метр, тобто до 1000 Вт [14, 19].
Помноживши місячну радіацію сонячної енергії з таблиці на
відповідність потужностей батареї та граничної інсоляції, можна оцінити
виробництво сонячної батареї за цей місяць.
Таким чином, виробництво ЕЕ фотоелектричною панеллю будемо
розраховувати за виразом

 
ЕФЕП = Е η
інс. ⋅РФЕП  , (3.1)
 Р 
інс. 
56
де EФЕП – показник кількості виробленої енергії ФЕП;
Eінс – показник місячної сонячної радіації на квадратний метр (з таблиці
інсоляції);
PФЕП – номінальна потужність ФЕП;
η – загальний ККД передачі електричного струму в провідниках,
контролері сонячної батареї під час перетворення постійної напруги;
Pінс – гранична потужність сонячної радіації квадратного метра Земної
площини (1000 Вт). Значення сонячної інсоляції та виробництва ФЕП
повинні бути в одних і тих самих одиницях вимірювань (кВт∙год або
Дж).
Приймаючи до уваги місячну радіацію сонячного потоку з таблиці,
можна розрахувати номінальну потужність ФЕП, яка забезпечить необхідне
місячне виробництво ЕЕ.

Р Р ЕФЕП 
ФЕП = інс.  , (3.2)
 Еінс. ⋅ η


Зазвичай, максимальна потужність ФЕУ, заявлена виробником,
досягається при напрузі на виході, що перевищує напругу акумуляторних
батарей на 15 - 40% [25].
Враховуючи, що aвтoнoмна фoтoелектрична уcтaнoвка для вуличного
освітлення використовується для освітлення вулиць, пішохідних переходів,
для освітлення паркових зон, зробимо порівняльний розрахунок доріг та
паркових зон у містах Херсон та Чернігів. За цією методикою проводимо
розрахунок визначення потужності для міста Чернігів і Херсон, для
автомобільних доріг Чернігів - Нові Яровичі та Миколаїв - Херсон.

3.1.1. Розрахунок потужності ФЕП для міста Херсон

Для початку слід перевірити, скільки енергії потрібно від системи.
57
Щоб досягти бажаного результату, визначаємо пікову моментальну
потужність навантаження, що наведена у таблиці 3.1.

Рис. 3.1. Автомобільна дорога Миколаїв - Херсон

Таблиця 3.1
Потужність навантаження для АСО
Споживач Потужні Тривалість
Сезон роботи за добу Споживання за добу
сть середнє максимум середнє максимум
Контролер заряда 5 Вт Постій
но 24 години 0.43 МДж (0.12 кВт·ч)
12 годин 13 годин 6,48 7,02
Світлодіодний МДж МДж (1,378
ліхтар 106 Вт зима (1,272 кВт·год)
кВт·год)
11 годин 12 годин 5,94 6,48
літо МДж МДж
(1,166 (1,272
кВт·год) кВт·год)
зима, 6,86 7,45
Разом 111 Вт літо 30-31 31-32 МДж МДж (1,498
(1,392 кВт·год)
кВт·год)

За вище описаною методикою в Excell побудовано таблицю розрахунку
(табл. 3.2). У таблиці 3.2 представлені значення як стандартні так і
розраховані. За стандартним значенням сумарної сонячної інсоляції,
кВт·год/м2, яка береться з таблиці NASA, вказується ККД сонячної батареї та
передбачувані потужності сонячної батареї. Розрахунок проведений для
визначення відповідної потужності сонячної батареї.
58

Таблиця 3.2
Отримані результати розрахунку потужності за методикою Excel
59
За розрахованими результатами бачимо, що для забезпечення
максимального пікового навантаження для Миколаїв - Херсон в районі
населеного пункту Чорнобаївка (пригород Херсона) потрібно
використовувати сонячні батареї потужністю понад 300 Вт.
Також у таблиці 3.2 наведено кілька режимів:
Дефіцит енергії. Цей режим визначає, що використання автономної
ФЕУ з такою потужністю не можлива, тому що виробництво ЕЕ сонячної
батареї має повністю компенсувати пікове навантаження.
Основний режим. У цьому режимі ФЕУ працює у номінальному, тобто.
у базовому режимі. Вироблена ЕЕ, покриває пікове навантаження і
забезпечує на 10% зарядження акумулятора.
Комфортний режим. Цей режим визначає роботу ФЕУ в
безперебійному стані, тобто коли система працює без зупинки забезпечуючи
на 50% заряджання акумулятора.
Повний режим. Цей режим працює на повній потужності, без перебою,
зі збереженням енергії на забезпеченні ЕЕ із запасом на 3 дні.
Проаналізувавши дані розрахунки та всі режими, обираємо сонячну
панель з потужністю 300 Вт та з ККД 14% (Монокристалічний сонячний
модуль OK-M60-300W-FULL BLACK Italy, компанії Oksolar), при якій
система АСО працюватиме в основному повному режимі. Усі отримані
результати наведено у гістограмі на рис. 3.2.
Після того, як розрахували потужність сонячної панелі, визначаємо її
кут нахилу. Кут нахилу це також значуща величина, як потужність. Тому, під
певним кутом нахилу можна отримати різні значення потужності панелі, що
обирається. Для цього використовується спеціальний онлайн-калькулятор
PVgis для розрахунку сонячного випромінювання, про функціонування якого
описано в розділі 2.

60

Рис. 3.2. Гістограма результатів отриманих під час розрахунку за методикою
61
У цій програмі були введені значення, широти та довготи місцевості, де
будуть встановлені ці системи, 46.693015, 32.517671, вказана потужність,
ККД та тип автономної ФЕУ. Слід відмітити, що у цій програмі можна
змінювати кут нахилу сонячної панелі та азимутальний кут. Для визначення
ефективного та оптимального кута нахилу фотоелектричної панелі при якому
з ФЕУ отримується максимальне значення ЕЕ. Досліджено різноманітні кути
нахилу панелі у межах від 500̊ до 900 з інтервалом 50, які занесені в таблицю
3.3.

Рис. 3.3. Вікно налаштування онлайн-калькулятора PVgis

62

Таблиця 3.3
Значення середньодобового виробництва електроенергії при певних кутах нахилу сонячної панелі
63

Рис. 3.4. Зміна середньодобового виробництва ЕЕ по місяцях

Рис. 3.5. Зміна за кутом нахилу середньодобового виробництва ЕЕ

Сонячна панель ефективно працює, коли вона спрямована на Сонце під
певним кутом та їх поверхня перпендикулярна сонячним променям. На
практиці сонячні панелі повинні бути орієнтовані під певним кутом до
горизонтальної поверхні.
Для різних місцевостей оптимальний кут нахилу різний. Аналізуючи
отримані таблицю 3.3, можна сказати, що для міста Херсон оптимальним
кутом нахилу сонячної панелі є 350.
64
Визначивши найоптимальніший кут нахилу, робимо розрахунок в
онлайн-калькуляторі для автомобільної дороги Миколаїв-Херсон з кутом
нахилу сонячної батареї 350.

Таблиця 3.4
Результати розрахунку в PVGIS
Сонячна база випромінювання PVGIS-CMSAF
Номінальна потужність 0,3 кВт (монокристалічний
фотоелектричної системи кремній)
Оціночні втрати через температуру 8,9% (з використанням місцевої
та низького освітлення температури навколишнього
середовища)
Розрахункові втрати через кутові
ефекти відображення 3,8%
Інші втрати (кабелі, інвертори
тощо) 14,0%
Комбіновані втрати PV системи 24,7%

Таблиця 3.5
Результат розрахунку виробництва ЕЕ
Fixed system: inclination=35°,
orientation=0°
Month Ed Em Hd Hm
I (jan) 0,73 23,2 2,62 81,7
II (feb) 0,88 25,1 3,13 88,6
III (mar) 1,08 33,2 4,05 125
IV (apr) 1,14 33,7 4,32 132
V (may) 1,44 44,3 5,53 174
VI (jun) 1,37 41,5 5,44 165
VII (jul) 1,42 43,6 5,53 174
VIII (aug) 1,51 46,4 5,88 184
IX (sep) 1,44 43,7 5,75 167
X (oct) 1,13 35,3 4,36 131
XI (nov) 0,77 22,7 2,57 83,1
XII (dec) 0,62 19,1 2,27 67,3
Yearly
average 1,14 34,2 4,31 133
Total for year 416 1590
65
У таблиці 3.5 вказані значення [21]:
• Ed – це середньодобове виробництво електроенергії від даної системи
(кВт*год);
• Em – це середньомісячне виробництво електроенергії від даної
системи (кВт*год);
• Hd – це середня добова сума глобального випромінювання на
квадратний метр, що отримане від модулів даної системи (кВт*год / м2);
• Hm – це середня сума глобального випромінювання на квадратний
метр отримана від модулів даної системи (кВт/м2). Визначивши оптимальний
кут нахилу та знаючи середньодобові та середньомісячні виробництва ЕЕ,
зроблено модель системи у програмному комплексі «HOMER», яка дозволяє
зібрати модуль з усіма розрахованими даними, з метою визначення повного
комплексного результату. Спочатку збираємо ФЕУ з окремих частин, потім
з'єднуємо їх задаючи необхідні параметри. Відкриваємо програму обираємо
початкове навантаження (вуличний світлодіодний ліхтар), джерело енергії
(монокристалічна сонячна панель з потужністю 300 Вт), акумулятор для
накопичення енергії (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Загальний вигляд автономної ФЕУ у програмі «Homer»
66
Після зібрання автономної фотоелектричної системи, задаємо
параметри для окремих частин, як зазначено на рис. 3.7.
Рис. 3.7 а, визначає параметри сонячної радіації, тобто дані, які були
отримані в онлайн калькуляторі. Широта, довгота та середньодобова сума
глобального випромінювання на квадратний метр.
Рис. 3.7 б, представлено вікно у яке слід заносяться всі необхідні
параметри навантаження. Вказується загальна потужність навантаження та
необхідний час роботи установки. Отримані дані ілюструються різними
графічними даними.

Рис. 3.7. Стартові вікна програми «HOMER»: а – вікно для
параметрів сонячної радіації; б – вікно для параметрів навантаження; в –
вікно параметрів сонячної батареї; г – вікно параметрів акумулятора

67
Рис. 3.7 в, – це вікно у якому заноситься вся інформація та вихідні дані
сонячної батареї. Заноситься загальна потужність сонячної панелі, її вартість,
кількість, ККД і найголовніше кут її нахилу. У цьому вікні був занесений кут
нахилу 350, який був оптимальний за результатами розрахунків.
Рис. 3.7 г; У цьому вікні вказано всі параметри акумулятора. Є каталог
за яким можна вибрати відповідний акумулятор для встановлення.
Після занесення всіх параметрів запускається розрахунок. Результати
розрахунку у програмі виводиться за всіма критеріями. Результати
розрахунку програми наведено на рисунках 3.8, 3.9, 3.10, 3.11.

Рис. 3.8. Середньомісячна горизонтальна сонячна радіація

Рис. 3.9. Середньомісячний максимальний заряд акумулятора
68

Рис. 3.10. Середньомісячний максимальний розряд акумулятора

Рис. 3.11. Глобальна сонячна радіація, що падає на площу сонячної
панелі

Рис. 3.12. Глобальна горизонтальна сонячна радіація добового профілю
69

Рис. 3.13. Потужність добового профілю первинного навантаження

Рис. 3.14. Графік розсіювання

Рис.3.15. Частота зміни глобального випромінювання за 24 години

70

Рис.3.16. Загальний вид висновку за повний час роботи

Для візуальної демонстрації основного призначення автономної
фoтoелектричної уcтaнoвки вуличного освітлення зробимо розрахунки у
програмі DIALux [13] (рис. 3.17 та 3.18).

Рис. 3.17. 3D візуалізація автомобільної дороги Миколаїв-Херсон у
програмі Dialux

71

Рис. 3.18. Lighting Technologies FREGAT LED 106 Вт

Рис. 3.19. Результати розрахунків у програмі Dialux (таблиця
освітленості)

За нормами ДБН В.2.5-28:2018 для вулиць А2 ІІ категорії «Середня
освітленість дорожнього покриття» Еср, лк має бути не менше 20 лк.

72

Рис. 3.20. Результати розрахунків у програмі Dialux (розподіл ізолінії)

3.1.2. Розрахунок потужності ФЕП для міста Чернігів

Автомобільна дорога Нові Яровичі-Чернігів (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Автомобільна дорога М-01 Нові Яровичі-Чернігів
73
Таблиця 3.6
Потужність навантаження для АСО
Споживач Потужні Тривалість
сть Сезон роботи за добу Споживання за добу
середнє максимум середнє максимум
Контролер заряда 5 Вт Постій
но 24 години 0.43 МДж (0.12 кВт·ч)
12 годин 13 годин 6,48 7,02
Світлодіодний МДж МДж (1,378
ліхтар 106 Вт зима (1,272 кВт·год)
кВт·год)
11 годин 12 годин 5,94 6,48
літо МДж МДж
(1,166 (1,272
кВт·год) кВт·год)
зима, 6,86 7,45
Разом 111 Вт літо 30-31 31-32 МДж МДж (1,498
(1,392 кВт·год)
кВт·год)

У цьому підрозділі проведено розрахунок для міста Чернігів.
Враховуючи кліматичні показники у районі міста Чернігів, наведений
розрахунок показує, що використання автономних систем освітлення для
міста не такий ефективний, як для м. Херсон. При використанні сонячної
панелі необхідно зібрати сонячну електростанцію з потужністю понад 400
Вт. Після того, як розрахували потужність сонячної батареї, визначаємо кут
нахилу батареї, для цього використовується спеціальний онлайн-калькулятор
PVgis.
У цій програмі були введені значення, широти та довготи, місцевості де
будуть встановлені ці системи, 51.59, 31.24 [14, 19]. Вказуємо потужність,
ККД та тип сонячної панелі. За допомогою даної програми можна змінювати
кут нахилу батареї та азимутальний кут. В процесі дослідження змінюємо кут
нахилу панелі від 50 до 900 з інтервалом 50. Усі значення зміни параметрів,
які отримані за допомогою онлайн калькулятора представлені у таблиці 3.7.

74

Рис. 3.22. Вікно налаштування онлайн-калькулятора PVgis

75

Таблиця 3.7
Отримані результати розрахунку потужності за методикою Excel
76

Рис. 3.23. Гістограма результатів отриманих під час розрахунку за методикою
77

Таблиця 3.8
Значення середньодобове виробництво електроенергії при певному куті нахилу
78

Рис. 3.24. Зміна середньодобового виробництва ЕЕ за місяцями

Рис. 3.25. Зміна за кутом нахилу середньодобового виробництва ЕЕ

Для різних місцевостей оптимальний кут нахилу різний. Аналізучи
таблиці 3.7 та 3.8, можна сказати, що для міста Чернігів оптимальний кут
нахилу сонячної батареї дорівнює 450.
Знаючи найоптимальніший кут нахилу, робимо розрахунок в онлайн
калькуляторі для автомобільної дороги М-01 Нові Яровичі-Чернігів ФЕУ з
кутом нахилу сонячної панелі 450.

79
Таблиця 3.9
Результати разрахунку в PVGIS

Сонячна база випромінювання PVGIS-CMSAF
Номінальна потужність
фотоелектричної системи 0,4 кВт (СIS)
Оціночні втрати через 3,8% (з використанням місцевої
температури та низьке освітлення температури навколишнього
середовища)
Розрахункові втрати через кутові
ефекти відбиття 4,6%
Інші втрати (кабелі, інвертори
тощо) 6,0%
Комбіновані втрати PV системи 13,8%

Таблиця 3.10
Результати виробництва ЕЕ
Fixed system: inclination=45°, orientation=0°
Ed Em Hd Hm
I (jan) 0,88 27.6 1.50 46.5
II (feb) 1,53 45.6 2.82 68.1
III (mar) 2,08 54.8 3.82 118
IV (apr) 2,03 51.0 3.88 115
V (may) 2,68 85.3 5.46 160
VI (jun) 2,65 82.5 5.55 156
VII (jul) 2,62 84.2 5.53 161
VIII (aug) 2,45 65.4 4.83 153
IX (sep) 1,83 55.0 3.55 106
X (oct) 1,13 35.1 2.10 54.8
XI (nov) 0,55 18.5 1.15 34.8
XII (dec) 0,51 18.8 1.03 31.8
Yearly
average 1,80 54.6 3.45 105
Total for year 556 1250

Визначивши оптимальний кут нахилу та знаючи середньодобове та
середньомісячне виробництво ЕЕ, створюємо модель системи у програмному
комплексі «HOMER» [15]. Програма «HOMER» дозволяє зібрати модуль з
усіма розрахованими даними, щоб визначити повний комплексний результат.
Задаємо всі параметри та запускаємо розрахунок. Результати розрахунку у
80
програмі виводиться за всіма критеріями. Результати розрахунку
представлено на у рис. 3.26-3.32.

Рис. 3.26. Середньомісячна горизонтальна сонячна радіація

Рис. 3.27. Середньомісячний максимальний заряд акумулятора

Рис. 3.28. Середньомісячний максимальний розряд акумулятора
81

Рис. 3.29. Глобальна сонячна радіація, що падає на площу сонячної
панелі

Рис. 3.30. Глобальна горизонтальна сонячна радіація добового профілю

Рис. 3.31. Потужність добового профілю первинного навантаження
82

Рис.3.32. Загальний вид висновку за повний час роботи

Виконання проекту у програмі Dialux [13].

Рис. 3.33. 3D візуалізація автомобільної дороги М-01 Нові Яровичі-
Чернігів у програмі Dialux

Рис. 3.34. Lighting Technologies FREGAT LED 106 Вт

83

Рис. 3.35. Результати розрахунків у програмі Dialux (таблиця
освітленості)

Рис. 3.36. Результати розрахунків у програмі Dialux (розподіл ізолінії)

Таблиця 4.11
Порівняльні характеристики при навантаженні 1498 кВт
Характеристики Чернігів Херсон
Д 46,69 та Ш 32,52
Географічні координати Д 51,59та Ш 31,24 Автомобільна
Назва дороги М-01 Нові Яровичі-Чернігів дорога Миколаїв -
Херсон
Потужність сонячної панелі 400 Вт 300 Вт
Тип сонячної панелі, КПД Тонкоплівкова СП, 6% Монокристалічна
СП, 14%
Кут нахилу 450 350
Середньорічне виробництво
ЕЕ 1260 кВт*год / м 2 1560 кВт*год / м 2
84
3.2. Висновки до розділу 3

У третьому розділі було здійснено розрахунок та оптимізацію
автономних фотоелектричних установок (ФЕУ), призначених для вуличного
освітлення в різних кліматичних регіонах України.
1. Запропонована методика розрахунку дала можливість визначити
необхідну потужність фотоелектричних панелей з урахуванням рівня
сонячної інсоляції, коефіцієнта корисної дії системи та реальних
енергетичних потреб вуличного освітлення.
2. Для умов міста Херсон оптимальним є застосування сонячної панелі
потужністю 300 Вт (монокристалічний модуль із ККД 14%) при
оптимальному куті нахилу 35°, що забезпечує роботу системи у повному
режимі з можливістю накопичення енергії.
3. Для міста Чернігів, враховуючи нижчий рівень сонячної радіації,
необхідно використовувати сонячні панелі сумарною потужністю понад 400
Вт (тонкоплівкова технологія з ККД 6%) при оптимальному куті нахилу 45°.
4. Моделювання у програмних комплексах PVgis та HOMER
підтвердило коректність проведених розрахунків, дозволило оцінити річне
виробництво електроенергії, сезонні коливання генерації та ефективність
використання акумуляторних батарей.
5. Візуалізація результатів у програмі DIALux засвідчила, що
розроблені автономні ФЕУ забезпечують відповідність вимогам ДБН В.2.5-
28:2018 щодо рівня освітленості дорожнього покриття.
Таким чином, доведено, що впровадження автономних
фотоелектричних систем для потреб вуличного освітлення в Україні є
технічно обґрунтованим та перспективним. Ефективність їх використання
визначається кліматичними умовами конкретного регіону: у південних
областях (на прикладі м. Херсон) застосування таких систем є більш
доцільним завдяки вищій сонячній інсоляції, тоді як у північних регіонах (на
85
прикладі м. Чернігів) досягнення необхідного рівня енергозабезпечення
потребує використання потужніших фотоелектричних модулів.

86
ВИСНОВКИ

У кваліфікаційній роботі проведено комплексне дослідження
можливостей підвищення надійності електропостачання систем вуличного
освітлення на основі автономних фотоелектричних установок. За
результатами виконаного аналізу, моделювання та техніко-економічного
обґрунтування можна зробити такі висновки:
1. Використання відновлюваних джерел енергії, зокрема сонячного
випромінювання, у поєднанні з сучасними світлодіодними джерелами світла
є одним із найбільш перспективних напрямів розвитку енергозберігаючих
технологій для систем зовнішнього освітлення. Це дозволяє зменшити
споживання електроенергії, знизити залежність від традиційних енергоносіїв
та зменшити негативний вплив на навколишнє середовище.
2. Проведений огляд сучасних автономних фотоелектричних
установок показав, що вони характеризуються високим рівнем
технологічності, надійності та екологічності. Основними стримувальними
факторами їх масового впровадження в Україні залишаються значні
початкові капітальні витрати та залежність від кліматичних умов
конкретного регіону.
3. Розроблені моделі та застосовані програмні засоби (SolidWorks,
PVGIS, HOMER, Dialux) дозволяють здійснити точне моделювання
енергетичного балансу та світлотехнічних характеристик автономних систем
освітлення. Це забезпечило можливість оптимізації параметрів установок
залежно від місця розташування та прогнозованих режимів роботи.
4. Результати розрахунків для різних кліматичних регіонів України
підтвердили доцільність диференційованого підходу до вибору параметрів
сонячних панелей. Для південних областей (на прикладі м. Херсон)
оптимальними є установки меншої потужності з вищим ККД, тоді як для
північних регіонів (на прикладі м. Чернігів) потрібні потужніші та стійкіші
до кліматичних умов модулі.
87
5. Техніко-економічний аналіз довів, що термін окупності
автономних фотоелектричних систем освітлення залежить від рівня інсоляції
та вартості обладнання, проте в середньому не перевищує прогнозованого
строку служби установок. Це робить їх впровадження економічно доцільним
і стратегічно виправданим.
Отже, впровадження автономних фотоелектричних систем у сфері
вуличного освітлення є ефективним напрямом розвитку енергетичної
інфраструктури України, що дозволяє підвищити надійність
електропостачання, забезпечити енергетичну незалежність, знизити
експлуатаційні витрати та сприяти переходу до сталого використання
відновлюваних джерел енергії.

88
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Антоненко О. В., Семко О. В. Загальний аналіз та оцінка ризику
електротравматизму // Збірник тез доповідей студентської науково-
практичної конференції ЧДТУ (22–24 квітня 2025 р.) [Електронний ресурс] /
упоряд.: Єгорова О. В., Захарова О. В., Тичков В. В. та ін.; М-во освіти і
науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. Черкаси: ЧДТУ, 2025. С. 121.
2. Вітряні електростанції: довідник / за ред. О. В. Орлова. Київ:
КНЕУ, 2015. — 320 с.
3. Гончаренко В. П. Світлодіодні системи освітлення. Дніпро: ДНУ,
2017. — 112 с.
4. Гусєв С. М. Фотоелектричні установки: навч. посіб. Одеса: ОНУ,
2019. — 220 с.
5. ДБН В.2.5-28:2018. Природне і штучне освітлення. Київ:
Мінрегіон України, 2018. — 120 с.
6. Денисюк С. П. Альтернативна енергетика: навч. посіб. Львів:
Вид-во Львівської політехніки, 2019. — 196 с.
7. Ковальчук О. О. Відновлювана енергетика та перспективи
розвитку в Україні. Київ: НАН України, 2020. — 180 с.
8. Кузнецов Ю. В. Акумуляторні батареї: принципи роботи та
застосування. Харків: ХНУМГ, 2016. — 180 с.
9. Офіційні інтернет-ресурси: IRENA, IEA, PVGIS, HOMER, Dialux,
World Bank. — доступно онлайн на офіційних сайтах відповідних
організацій.
10. Савчук С. А. Енергозбереження та енергоефективність. Київ:
Наукова думка, 2018. — 256 с.
11. Трофименко М. М. Енергоефективні технології зовнішнього
освітлення. Київ: НТУУ «КПІ», 2019. — 150 с.
12. Федоренко І. І. Сонячна енергетика в Україні. Київ: Либідь, 2020.
— 240 с.
89
13. Dialux Lighting Design Software. DIAL GmbH, 2019. — доступно
онлайн: https://www.dialux.com
14. Global Solar Atlas. The World Bank Group, 2020. — доступно
онлайн: https://globalsolaratlas.info
15. HOMER Energy. Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources.
NREL, 2018. — доступно онлайн: https://www.homerenergy.com
16. IEEE Standards on Solar Power Systems. New York: IEEE, 2016. —
350 с.
17. International Renewable Energy Agency (IRENA). Renewable Power
Generation Costs in 2019. Abu Dhabi: IRENA, 2020. — 144 с.
18. Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). European
Commission, 2019. — доступно онлайн: https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis
19. Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation: Special
Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge
University Press, 2011. — 700 с.
20. Solanki C. S. (ed.) Solar Photovoltaics: Fundamentals, Technologies
and Applications. New Delhi: PHI Learning, 2017. — 844 с.
21. Solar Energy Handbook. Berlin: Springer, 2018. — 500 с.
22. Solar Photovoltaic Technical Potential in Ukraine. NREL Report,
2018. — 100 с.
23. World Energy Outlook 2017. Paris: OECD/IEA, 2017. — 810 с.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets