„Ükskõik, kuhu sellised teenused maailmas või ka Eestis tulevad, ühendab neid üks tunnus – need töötavad alalisvoolul,“ avaldab Tallinna Tehnikaülikooli jõuelektroonika uurimisrühma vanemteadur, 2024. aasta Eesti Vabariigi teaduspreemia pälvinud Andrei Blinov, kes koos kolleegidega selle tuleviku nimel pingsalt töötab.

Ehkki tänavavalgustus kuulub iga kaasaegse linna juurde ja parandab turvalisust, nähtavust ning linna esteetilist ilmet, kujutab see Blinovi sõnul omavalitsuste eelarvetes tavaliselt üks suurimaid elektrienergia kuluartikleid. „Seetõttu on tänavavalgustus olnud juba pikka aega innovatsiooni fookuses, et vähendada energiatarbimist ja tegevuskulusid.“

Kuid kui kunagi tähendas valgustus õlilampide kasutust, siis tulevikus võib valgustusest saada inimestele „abimees“ ka mitmetes muudes valdkondades. Sellega seoses tasub Blinovi sõnul meelde tuletada, kuidas ja mis tingimustel tänavavalgustus üldse alguse sai, kuidas samm-sammult arenenud on ning kuhu juba lähitulevikus jõuda võib – ja seda viimast just tänu alalisvoolule ja uudsetele tehnoloogiatele.

Avaliku valgustuse ajalugu ulatub mitme sajandi taha. Massiliselt ilmusid õlilambid Pariisi tänavatele 1667. aasta paiku ning levisid seejärel edasi Euroopa teistesse suurematesse linnadesse. Need varased lambid põlesid loomarasva või taimeõli toel ja nõudsid igal õhtul hooldust,“ avaldab Blinov. 19. sajandi alguseks hakkas õlilampe asendama gaasivalgustus. Kes vähegi on ajalugu uurinud, siis teab, et just Londoni Pall Mallist sai 1807. aastal üks esimesi gaasivalgustusega tänavaid. Gaasilambid pakkusid eredamat ja usaldusväärsemat valgust ning tähistasid esimest suurt tehnoloogilist hüpet tänavavalgustuses. Järgmine revolutsioon saabus 19. sajandi lõpus elektrifitseerimisega. 1870. aastatel demonstreeritud nn kaarlampe kasutati algul suurte välialade valgustamiseks. 20. sajandi alguseks said hõõglambid tavaliseks nähtuseks nii tänavatel kui ka kodudes, kujunedes stabiilseks ja kergesti kasutatavaks valgusallikaks.

20. sajandil jätkus kiire tehnoloogiline areng: elavhõbelambid 1930. aastatel, metallhaliidlambid 1960. aastatel ja kõrgsurve-naatriumlambid 1970. aastatel parandasid üksteise järel valguse kvaliteeti ja energiakasutust. „Naatriumlampide iseloomulik oranž kuma muutus aastakümneteks tänavavalgustuse tunnuseks, sest need olid vastupidavad ja ökonoomsed,“ selgitab Blinov. Uue aastatuhandega ehk 21. sajandil algas aga võimas ja täiesti uus revolutsioon: LED-tehnoloogia tõus. „Alates 2010. aastatest on linnad kogu maailmas läinud üle LED-valgustusele või vähemalt kavandanud seda üleminekut. LEDid on ühed kõige energiatõhusamad valgusallikad, mis lisaks pikale elueale ja väiksematele hoolduskuludele võimaldavad ka valgust täpselt juhtida: hämardada, reguleerida ja isegi värvitooni muuta,“ nendib teadlane.

Kuigi LED-tehnoloogia võib tunduda tänapäevane, ulatub nähtava spektri LEDide ajalugu 1960. aastate algusesse, mil Nick Holonyak juunior töötas ettevõttes General Electric välja esimese punast valgust kiirgava LEDi. „Järgnevatel aastakümnetel lisandusid rohelised, kollased ja oranžid LEDid, mida kasutati laialdaselt elektroonikaseadmete indikaatorites, ekraanidel ja mõõteriistades. Valgustuseks sobivaks muutus LED alles 1990. aastate alguses sinise LEDi leiutamisega, mille autorid Shuji Nakamura, Isamu Akasaki ja Hiroshi Amano suutsid fosforkatete abil toota valget valgust. See avastus, mille eest nad pälvisid 2014. aastal Nobeli füüsikapreemia, avas tee LEDide kasutamiseks üldvalgustuses,“ rõhutab Blinov. 

Kaasaegsed LED-tänavavalgustid on varasematest kõrgsurve-naatriumlampidest koguni 40–60% energiatõhusamad. Samal ajal töötavad LEDid väga erinevalt vanematest valgusallikatest, sest vajavad alalisvoolu, mitte elektrivõrgust tulevat vahelduvvoolu. Selleks on igas LED-valgustis olemas eraldi oluline komponent LED-draiver ehk toiteplokk. Kuigi varasemad valgustustehnoloogiad kasutasid samuti abikomponente, on kaasaegsed LED-draiverid märksa keerukamad. „Need on olemuselt jõuelektroonika muundurid mikroprotsessoripõhise juhtimisega ja sisaldavad sageli sensoreid, pingekaitset, hämardamisvõimalusi ja adaptiivset juhtimist. Paljud draiverid võimaldavad ka kaugjuhtimist, diagnostikat ja andmevahetust, muutes need igast varasemast valgustite lisaseadmest oluliselt intelligentsemaks.“

Tulevikku vaadates võivad valgustussüsteemid muutuda üha jätkusuutlikumaks ning vähem sõltuvaks tavapärasest elektrivõrgust, kasutades päikeseenergiat ja energiasalvestust. Tänavavalgustuse taristu võib tulevikus pakkuda ka täiendavaid teenuseid, näiteks elektritõukerataste, jalgrataste või isegi elektriautode laadimist. Nagu öeldud, siis neid kõiki ühendab üks ühine joon: need töötavad alalisvoolul. See tekitab loogilise küsimuse, miks peaks tänavavalgustus olema endiselt rajatud vahelduvvoolule, kui nii valgusallikad kui ka lisateenused vajavad tegelikkuses alalisvoolu. Kuigi alalisvoolu ehk DC-põhised süsteemid vajavad endiselt pingemuundureid, võivad need olla oluliselt lihtsamad, väiksemad ja tõhusamad kui praegu kasutusel olevad lahendused, mistõttu pakub alalisvoolul põhinev tänavavalgustuse infrastruktuur lubavat platvormi tulevikulinna integreeritud energiasüsteemidele.

Hoolimata mitmetest väljakutsetest on alalisvoolul (DC) põhinevaid tänavavalgustusprojekte tegelikult juba ellu viidud, kusjuures kõige märkimisväärsemad neist Hollandis. „Üheks võimaldavaks teguriks on Hollandi juhise NPR 9090 olemasolu, mis annab suunised madalpingeliste DC-paigaldiste (kuni 1 500 V DC) jaoks ning on aidanud kehtestada Hollandi pilootpaigaldistes 350 V / 700 V nimipinged,“ selgitab Blinov. Samal ajal pingutavad organisatsioonid Current/OS ja Open DC Alliance (ODCA) selle nimel, et võimaldada laiemat ja ühtlustatumat DC-lahenduste kasutuselevõttu.

„Seniste pilootide elluviimine pakub ka väärtuslikku infot, kuidas projekteerida tänavavalgustuse DC-toiteliine. Oluline kogemus oli selles, et olemasoleva AC-taristu ümberehitamine alalisvoolule kätkeb märkimisväärseid riske, eeskätt seetõttu, et DC käitub rikete korral teistmoodi ja on tundlikum isolatsiooniprobleemide ja ebatäiuslike maa-aluste liitumiste suhtes,“ loetleb Blinov. Seetõttu rajatakse tema sõnul praegused DC-lahendused tavaliselt uutesse paigaldistesse, kus maa-aluseid ühendusi saab minimeerida või vähemalt paremini kontrollida.

Lisaks erinevad DC-võrgud AC-võrkudest ka topoloogia ja elektriliste omaduste poolest. „Pilootprojektid on näidanud, et DC-jaotusliinid suudavad võrreldes AC-liinidega hoida lubatavat pingelangu pikemate vahemaade ulatuses. Lisaks on DC-süsteemid pilootides sageli rajatud rõngastopoloogiana, erinevalt traditsioonilistest, tavaliselt radiaalsetest AC-tänavavalgustuse liinidest. Rõngastopoloogia võimaldab kahepoolset energiavoogu, aitab pingelangu veelgi vähendada ning pakub paremat töökindlust juhuks, kui osa kaablimarsruudist muutub kasutamiskõlbmatuks.“ Väiksem pingelangus DC-liinides lubab ka juhtmaterjali tõhusamat kasutamist — mitmes projektis on raporteeritud kuni 30% vähendusi — või teise võimalusena lubada sama kaabliga toetada täiendavaid teenuseid, näiteks laadimist. Lisaks võib üks toitekapp toita mitut DC-rõngast, vähendades paigalduseks vajalike jaotuskappide arvu.

Kokkuvõttes võib tõdeda, et ehkki mitmed alalisvoolul põhinevad tänavavalgustuse piloodid juba toimivad, on praktiline kogemus peamiselt koondunud Hollandisse ning selle laialdasem kasutuselevõtt mujal maailmas on alles varases staadiumis.

Tallinna Tehnikaülikooli jõuelektroonikute meeskonda on Blinovi sõnul juba pikalt innustanud soov algatada Eestis Hollandiga võrreldavat toimivat DC-tänavavalgustuse pilootprojekti. „Ja 2025. aastal tekkis selleks lõpuks võimalus. Nimelt alustati TalTechi FinEst Targa Linna Tippkeskuse toetusel kahe pilootpaigaldise rajamist — üks Tšehhis Jablonec nad Nisou linnas ja teine Tallinnas Lembitu pargis, kuhu rajatakse kõik alalisvoolu jaotusliini toimimiseks vajalikud seadmed ja taristu.“

Lahenduse kontseptsioon järgib Blinovi sõnul Hollandi pilootide põhimõtteid, sealhulgas kasutatavaid pingetasemeid ja süsteemi üldist arhitektuuri. „Eesmärk on edendada innovatsiooni ning koguda esmakordset praktilist kogemust alalisvoolul põhineva tänavavalgustuse toimimisest meie piirkonnas, kus see tehnoloogia on omavalitsustele ja elektripaigaldajatele veel võrdlemisi uus.“

Ühtlasi toimivad need piloodid võrdlusalusena, mis võimaldab hinnata DC jaotuse eeliseid. „Nende tähtsust ei saa üle hinnata, sest need pakuvad unikaalset võimalust testida tehnoloogiat reaalses kasutuses, koguda andmeid ja mõista, kuidas DC käitub igapäevases töörežiimis tänavavalgustuse infrastruktuuris.“ Tehnilised ja organisatsioonilised teadmised, mis me siit saame, on tulevikus olulised juhiste väljatöötamisel, hangete kujundamisel ning paigaldus- ja hooldustiimide pädevusnõuete määratlemisel.

„Meie soov on, et alalisvooluprojektid kujuneksid tüüplahendusteks, mis aitavad linnadel hinnata DC-süsteeme võrdselt traditsiooniliste AC-lahendustega. Kui jagame tulemusi ja kogemusi omavalitsuste, projekteerijate ja regulatsioonide tegijatega, kiirendame kogu valdkonna arengut. Igatahes on meie laiem eesmärk muuta alalisvoolu tehnoloogia usaldusväärseks ja konkurentsivõimeliseks valikuks selleks ajaks, kui linnad hakkavad kavandama tänase tänavavalgustuse renoveerimisprojekte,“ avaldab Blinov.

 

Alalisvoolul (DC) põhineva tänavavalgustuse kasutuselevõtt seisab siiski veel silmitsi mitme väljakutsega, mida võib üldiselt jagada kolmeks suuremaks kategooriaks.

1. Standardid. Kuigi vahelduvvoolusüsteeme (AC) toetavad ulatuslikud ja küpsed standardiraamistikud, on alalisvoolu jaotussüsteemide standardid tänavavalgustuse valdkonnas alles varajases arengujärgus. Laialdaselt aktsepteeritud regulatsioonide puudumine muudab DC-paigaldiste planeerimise, projekteerimise ja kinnitamise protsessi oluliselt keerukamaks.

2. Seadmed. Standardite piiratud kasutuse ja n-ö välja kujunemata turu tõttu on DC-süsteemidele spetsiaalselt mõeldud seadmeid vähe. Nende hulka kuuluvad nii alalisvoolu jaoks sobivad LED-draiverid kui ka vastavad kaitse- ja katkestusseadmed. Paljud olemasolevad komponendid on loodud vahelduvvoolu jaoks ning ei suuda täielikult ära kasutada DC-süsteemide eeliseid või ei sobigi nendega kokku.

3. Teadlikkus, võimalused ja kogemus. Täiendav takistus on linnade piiratud teadlikkus DC ehk alalisvoolulahenduste potentsiaalsetest eelistest ning infopuudus, kuidas selliseid süsteeme üldse rajada. Samuti puudub sageli paigaldajatel ja hooldusmeeskondadel praktiline kogemus DC-süsteemidega, sealhulgas kaabliliinide ehituse ja kaitseskeemidega. Selline praktilise kogemuse nappus tekitab linnades kõhklusi alalisvoolu-põhiste tänavavalgustuslahenduste kasutuselevõtmisel.

DC-süsteemid seavad ka erireegleid maandusele ja kaitsele. Kaitse on hetkel eriti aktiivse arendustegevuse valdkond, sest DC-rikkevoolude katkestamine nõuab meetodeid, mis erinevad oluliselt tavapärastest AC-kaitselülititest. Kuigi pooljuhtidel põhinevad ülikiired kaitseseadmed on olemas, on kommertsturg alles kujunemas ning saadaval olevad seadmed on suuresti eritellimuslikud või pärinevad vaid mõnelt üksikult uusi lahendusi pakkuvalt tootjalt. Need seadmed reklaamivad erakordselt suurt töökiirust — mõnel juhul kuni 1000 korda kiiremat kui tüüpilistel AC-kaitselülititel.