Fig. 1. Fig. 1. RF sturing van openbare verlichting

Transcriptie

1 RF sturing van penbare verlichting 1) Intrductie 2) Srten lichtbrnnen en dimmgelijkheden 3) Waarm dimmen? 4) Gevlg van dimmen p verbruik 5) Dimmen p basis van triggers 6) Waarm RF f radisturing? 7) Samenvatting en cnclusie 8) Te stellen vragen 1) Intrductie Dit dcument is geschreven dr Jan Zijderveld van JZ Cnsultancy met de bedeling m een verzicht te geven van de mgelijkheden en vrdelen die het tevegen van intelligentie in penbare verlichting (OV) biedt. Om het dcument cmpact te huden, wrdt er niet te diep ingegaan p de techniek en zijn de cijfers van.a. de besparingen glbaal en gebaseerd p recente infrmatie. 2) Srten lichtbrnnen, aansturing en dimmgelijkheden De gleilamp wrdt al jaren niet meer tegepast in OV, maar had wel een paar eigenschappen die tch vermeldenswaard zijn, nl. een mi lichtspectrum, een vr het lichtnet een ideale belasting (een pwer factr en csinus phi van 1, zie uitleg p pag. 2) en er was geen elektrnica ndig m de gleilamp aan te sturen. De levensduur en het slechte rendement waren reden m deze alleen ng maar binnenshuis te gebruiken. Al decennia lang wrdt in OV vrijwel uitsluitend gasntladingslampen gebruikt, vanwege de langere levensduur en het hgere rendement. Dr de steeds hgere lichtpbrengst en de betere kwaliteit wrdt, zeker in stedelijke gebieden bij vernieuwing en vervanging, vral LED tegepast, hewel inductielampen k vrkmen. Vrijwel alle gasntladingslampen bevatten in meer f mindere mate kwik, een metaal dat zeer schadelijk is vr het milieu. Dit is de reden waarm bijv. de hgedruk kwikdamplamp vanaf april 2015 verbden wrdt. De meeste gasntladingslampen gaan relatief snel in lichtpbrengst achteruit. Dit is per lamp type verschillend, 20-30% ver de levensduur (fig. 1), variërend 8000 vr de lagere vermgens, vaak tegepast in de zgn. kegels tt z n uur vr bepaalde typen SON lampen. Dit ng afgezien van de zgn. survival rate, het percentage van de lamp dat na het aangegeven aantal branduren ng functineert. De inductielamp vrmt hierp een uitzndering, maar kan slechts tt 50% wrden gedimd, als deze ptie al gebden wrdt. De mate waarin de lichtpbrengst achteruitgaat ver een aantal gebruiksuren wrdt k wel Lumen Maintenance factr f depreciatiefactr genemd, uitgedrukt in L50, L70, L80 f L90. Fig. 1. Fig % verlies wrdt uitgedrukt in L70, d.w.z. ng 70% licht na een aantal gebruiksuren bij een mgevingstemperatuur (Ta) van bijv. 25 C en een pgegeven temperatuur van de chip van de LED, k wel de junctin temperatuur (Tj ) genemd. (Zie k fig 5 p pag.3) Om de gasntladingslampen te kunnen starten is een vrschakelapparaat ndig. Ouderwetse vrschakelapparaten (VSA) hebben ~20-25% verlies, dit met bij het pgenmen vermgen van de lamp wrden pgeteld. Nieuwere typen zijn elektrnisch en wrden EVSA s genemd en hebben bij vlle belasting een rendement van >/85%. De EVSA s zijn te leveren in dimbare varianten, die een 1-10V signaal f een DALI (Digital Addressable Light Interface) stuursignaal als uitgang hebben. LED s meten wrden aangestuurd dr een elektrnisch vrschakelapparaat, drgaans LED-driver genemd. Een gede LED-driver heeft bij vllast een rendement van >/90%. Let wel: het systeemrendement, van LED-driver plus lichtbrn ligt lager, maar is drgaans z n 50% beter dan bij de traditinele gasntladingslampen. Het rendement van de lichtbrn en het systeemrendement wrdt uitgedrukt in Lumen per Watt (Lm/W). De meeste gasntladingslampen kunnen wrden gedimd, maar het dimpercentage varieert per type en ligt maximaal tussen de 20% en 70% van het pgegeven wattage. Veel udere typen gasntladingslampen in de hgere vermgens hebben een pstarttijd van enkele minuten en dit is verlies van kstbare energie. Bij lage temperaturen wrdt dit ng slechter. LED heeft geen pstarttijd (LED-drivers sms wel van enkele secnden) en kan, afhankelijk van de tegepaste elektrnica, trapls tt nul wrden gedimd, maar in de praktijk kmt dit zelden vr. Het waarm kmt later in dit dcument terug. 1

2 3) Waarm dimmen? Er zijn een aantal redenen m te willen dimmen, de vlgrde van de hiernder genemde redenen kan per tepassing in belangrijkheid verschillen. Energiebesparing en beperking CO2 uitstt Langere nderhudsintervallen, mdat de lamp langer meegaat. Gevlg besparing p nderhudsksten Minder lichtvervuiling. Hiervr is gelukkig steeds meer aandacht. Kunstlicht verstrt nu eenmaal het dag/nacht ritme van mens en dier en kan grte gevlgen hebben p de gezndheid 4) Gevlg van dimmen p verbruik Hier met wat dieper wrden ingegaan p de techniek, mdat bij dimmen p veel zaken met wrden gelet die bij het maken van keuzes vr een armatuur gemakkelijk ver het hfd kunnen wrden gezien. Het dimpercentage is niet persé recht evenredig met de besparing p het energieverbruik. Dit hangt af van de srt lamp en het vrschakelapparaat en de cmbinatie van beiden. Bvendien is het z dat verreweg de meeste EVSA s f LED-drivers het meest efficiënt werken bij maximale belasting. De pwer factr (PF) is een belangrijke parameter vr het ESVA. He dichter bij 100% f het getal 1 he beter. In de praktijk wrdt drgaans dat 0,9 gehanteerd als gangbare waarde. Het lichtnet geeft een zuivere sinus (fig. 2) met een waarde van ~230V, zals hiernaast afgebeeld met nderste Fig. 2. witte lijn. In het vrschakelapparaat met de wisselspanning wrden mgezet in gelijkspanning. Dit levert mzettingsverlies p dat wrdt vertaald in warmte. Om efficiënt te kunnen werken wrdt gebruik gemaakt elektrnisch schakelen. Hierdr ntstaan schakelpieken die de sinus verstren (blauwe lijn). Om hier weer een min f meer nette sinus van te maken is extra elektrnica ndig. Dr een slechte PF kan een deel van de energie niet nuttig gebruikt wrden. Wat het energiebedrijf met leveren is vermgen S. Het vermgen P dat een armatuur lijkt te gebruiken kan dus frs afwijken van de realiteit. Die verliezen kmen bvenp de mzettingsverliezen en de zgn. cs phi (φ), dat is het uit de pas lpen van de sinus vr strm en spanning (fig. 3). De gleilamp met een PF en cs φ van 1 is wat dat betreft een ideale belasting vr het lichtnet. Fig. 3. De reden m dit allemaal te vermelden is dat, zals eerder aangegeven, dimmen effect heeft p het rendement van het vrschakelapparaat. Het rendement f efficiency van de LED-driver in fig. 4 is bij maximale belasting 87% als de verliezen van warmtentwikkeling, cs φ en pwerfactr wrden meegenmen. Als we gaan dimmen lpt het rendement afhankelijk van de gebruikte cmpnenten al snel terug, zals is te zien in fig.4. Het rendement wrdt dus bepaald dr de cs φ, de PF en de mzettingsverliezen. In veel bestekken wrdt een pwerfactr van 0,9 gehanteerd. 0,85 is nu de nrm vr belastingen >25W. Als er 25 lampen van 20W p vl vermgen met een slechte pwer factr in een straat wrden gebruikt, is het ttaalvermgen 500W. Bij dimmen wrdt dit alleen maar slechter. Ok al vldet de lamp aan de huidige nrmen, dan kan de ttale netvervuiling desndanks vervelende gevlgen hebben, zeker als er hele wijken wrden vlgezet met lampen met een slechte pwerfactr. Energieleveranciers stellen eisen aan de aangeslten belasting en de aangegeven getallen zijn drgaans de nrm. Verdere uitleg hierver is a. vinden p: Fig. 4. 2

3 Er zijn LED-drivers die trapls naar nul kunnen dimmen, maar deze vallen in de duurdere klasse en wrden in OV praktisch nit gebruikt. Bvendien is het lastig m vr een cncurrende prijs een LED-driver te maken die bij diep dimmen ng een gede pwerfactr en rendement heeft. Het maximale dimpercentage is drgaans 10% van de maximale waarde, maar verschilt per driver en fabrikaat. De grafiek in het vrbeeld van fig. 4 laat duidelijk zien dat het effect van dimmen niet rechtevenredig is met de besparing in energie. 5) Dimmen p basis van triggers Zals reeds aangegeven is het mgelijk m diverse typen gasntladingslampen te dimmen, maar mdat de trend is dat bijna alles wat nieuw wrdt geplaatst LED is, ga ik hier verder p in. Drgaans geeft het verschakelen van gasntladingslampen naar LED al een besparing van 50%, maar dr te dimmen en regelen p basis van bijv. verkeersintensiteit f detectie van persnen en vertuigen kan ng eens minstens 30% wrden bespaard, zeker p wegen waar s avnds weinig verkeer is. Deze triggers kunnen zijn: Tijd, bijv. d.m.v. een astrklk Radar f infrard detectren Drukknppen bij een versteekplaats Lichtintensiteitssensren Detectielussen Kppeling aan bijv. buienradar via internet Cmmand s vanuit een cntrlekamer via internet. Denk hierbij aan de ndzaak m veel licht te hebben als bijv. een stadin leeglpt f vr het maken van lichtcrridrs bij calamiteiten vr hulpdiensten. Het dimmen van LED-verlichting heeft naast het besparen van energie een ander grt vrdeel, nl. dat deze t..v. de meeste gasntladingslampen veel langer meegaat en de lichtterugval f Lumen maintenance (fig. 5.), die al relatief gunstig is, ng kleiner wrdt. Fig. 5. Brn Citizen. N.B. de temperatuur van de LED chip is hier cntinu 120 C, iets dat bij OV tepassingen nit vr kmt. LED s werken in tegenstelling tt gasntladingslampen k ng eens veel efficiënter, als deze minder zwaar wrden belast en dus minder warm wrden (*). Dit wrdt, afhankelijk van de LED-driver in het gebied van %, min f meer gecmpenseerd dr het minder efficiënt werken van de meeste LED-drivers. Van belang is het m te weten dat een LED lamp (het gaat hier dus ver het lichtgevende deel) die ged wrdt gekeld, vaak langer meegaat dan menige LED-driver. De warmte die hierin ntwikkeld wrdt, zrgt er nl. vr dat de veelal gebruikte energiebuffers, de zgn. elc s, vaak als eerste stuk gaan. Dr te dimmen wrdt de warmtentwikkeling minder en gaan deze elc s langer mee. De LED-drivers wrden in vrijwel alle gevallen in het armatuur geplaatst, mdat de fabrikant garantie geeft p het armatuur met alle daarin gebruikte nderdelen. Dit heeft wel tt gevlg dat de driver p een plaats zit waar het bij gebruik van de lamp p vl vermgen erg warm kan wrden. Ok als de lamp uit is, kan s zmers bij fel znlicht de temperatuur flink plpen en k hierdr gaat de elektrnica minder lang mee. Beter zu het zijn m de driver achter het luikje van de lichtmast te plaatsen, mdat de temperatuur hier lager is. Een temperatuurverschil van 10 C betekent een verdubbeling f halvering van de levensduur van de elektrnica al naar gelang deze hger f lager is dan aangegeven in de specificaties van de LED-driver. (*) Vr meer infrmatie zie: 3

4 6) Waarm RF f radisturing? Er zij diverse vrmen van sturing, die mmenteel wrden tegepast, nl: Centraal p basis van tijd en gemeten lichtheveelheid, in de meeste gevallen ng aan/uit. Veel systemen werken p basis van een tijdklk en/f meerdere lichtsensren die in een stad f wijk aanwezig zijn. Vaak wrdt dr middel van een tnfrequent (TF) signaal de netspanning p een grep lampen gezet. Het TF systeem kmt binnenkrt te vervallen, dus vervanging is swies ndig! Centraal/decentraal, middels een dimmer die p basis van tijd en na het p spanning zetten van de grep lampen, de verlichting in vast prgrammeerbare stappen dimt. Een veel gebruikt type is de zgn. Dynadimmer. Hiermee zijn belangrijke energiebesparingen gerealiseerd. Het prbleem is dat een Dynadimmer een vast tijdschema heeft en niet te verrulen is bij calamiteiten. Het kan dus ng efficiënter en beter. Pwer line cmmunicatie (PLC). Dit is in het verleden met wisselend succes tegepast. Een van de nadelen is dat in veel gevallen de netbeheerder en/f eigenaar van de infrastructuur een stuurunit in zijn schakelkast met laten plaatsen en er een mnteur van de netbeheerder/eigenaar aanwezig met zijn m de kast te penen. Bij stringen met dan vaak k de mnteur pdraven samen met degene die de sturing heeft geleverd. Een ander nadeel is dat dr de tegenmen netvervuiling PLC niet z betruwbaar meer werkt als vreger. RF f radisturing Er kan p verschillende manieren wrden gewerkt. Er kan gekzen wrden vr een vraf ingesteld dimpatrn dat werkt p basis van triggers, zals radar, passief infrard (zie pijl bij fig. 6). Z kan het licht bij een passerende fietser feller gaan branden en dan wel z dat dit, vr hem f haar uit, geleidelijk aan in intensiteit wrdt pgeschaald. Als de fietser uit de detectiezne is, wrdt het licht langzaam gedimd (fig. 6). Het is mgelijk m elke lichtmast te vrzien van een trigger, f deze te plaatsen bijv. afslagen en het licht gedurende de tijd die de fietser naar verwachting in de detectiezne verblijft feller te laten branden. De snelheid en tijden van het veranderen van het licht zijn prgrammeerbaar. Fig. 6. De stuurunit f gateway kan buiten de schakelkast van de netbeheerder bijv. aan een lichtmast wrden bevestigd. Als de installatie autnm werkt, is geen er geen backffice en cntrle resp. besturing p afstand via internet van tepassing. Fig. 7 4

5 Hiernder een vergelijkbare pzet (fig.8.), maar dan met kppeling aan het internet, waarbij de beheerder bij bijzndere gebeurtenissen het dimregime kan aanpassen, zdat het licht bij calamiteiten p de maximale stand gezet kan wrden. Fig. 8. 7) Samenvatting en cnclusie Het rendement en de kwaliteit van LED-verlichting is zdanig dat dit nu p grte schaal in de penbare ruimte wrdt tegepast. LED met, anders dan de traditinele lichtbrn, wrden aangestuurd met cmplexe elektrnica. Deze met van zeer gede kwaliteit zijn p het vlak van levensduur, maar k als het gaat m de elektrische specificaties bij vllast en deellast (dimmen). In mderne LED-drivers en RF stuurunits wrden micrcntrllers tegepast. Hierdr zijn veel nieuwe tepassingsen mgelijk, waarnder kppeling via RF sturing aan het internet. De micrcntrller kan: a) het licht dimmen b) het aantal branduren van de lamp bijhuden c) cmpenseren vr verudering van de lichtbrn en ptiek d) cmpenseren vr een lage mgevingstemperatuur (LED geeft meer licht naarmate de lichtbrn kuder is) d) het energieverbruik meten e) de temperatuur en/f andere parameters cntrleren en melden dat er een string is f dreigt Bij RF sturing en kppeling aan het internet kan dus van alles wrden gemnitrd en gestuurd. Stringen (f zelfs dreigende stringen) kunnen als een bericht van de lamp naar een webinterface en/f aan een stringsmnteur wrden gestuurd, waarbij eventueel preventief al tt vervanging kan wrden vergegaan, vrdat er gevaarlijke situaties nstaan p een drukke kruising waar gede verlichting essentieel is vr de verkeersveiligheid. Vr de beheerder en het milieu is de grtste bnus: dat een besparing tt 80% mgelijk is p energie. Vevanging van het armatuur met een levensduur van uur heft bij een brandrster van 4200 uur per jaar pas na ruim 10 jaar plaats te vinden. de visuele schuw kan vervallen Cnclusie => RF struring van LED-verlichting in OV is Onmiskenbaar Verstandig 5

6 8) Te stellen vragen V1: Is RF sturing veilig en is het niet gemakkelijk te stren f te hacken? A1: 100% veiligheid is nit te geven, k een bekabeld net kan wrden verstrd, als de bedieningskast wrdt gesabteerd f als er een kabel wrdt kaptgemaakt dr een graafmachine. De veiligheid van RF sturing is vergelijkbaar met die van andere digitale radiverbindingen die we dagelijks gebruiken, zelfs vr banktransacties. Er is een zware digitale versleuteling tegepast vergelijkbaar met de beveiliging vr banktransacties.bvendien werken de RF dimsystemen drgaans z, dat als de verbinding met de gateway f het internet wegvalt, het licht p de tijd dat het aan met naar 100% gaat. V2: He zit het met het verdelen in znes en wijken? A2: Dr digitale adressering is het mgelijk zelfs individuele lampen te adresseren. V3: Wat zijn er ng meer vr mgelijkheden bij gebruik van RF sturing? A3: Veel, te denken valt aan verandering van lichtkleur, van warm wit naar kud wit, m aan te geven dat feestgangers nu maar naar huis meten gaan bijvrbeeld. Het armatuur met hier dan wel vr geschikt zijn. V4: Wat zijn de eisen vr de pwer factr bij de diverse vermgens, dus k gedimd? A4: <2 W geen eisen, 2-5 W pf > 0,4, 5-25W >0,5, bven 25 W >0,9 Vr meer infrmatie kunt u cntact pnemen met: 6