Разработка управления энергосберегающей системы освещения
университета с использованием вспомогательного источника
питания – энергии Солнца
Направление 140400.68 – «Электроника и наноэлектроника»
Программа «Промышленная электроника»
АВТОРЕФЕРАТ
на соискание академической степени магистра
2015
Факультет электротехнический
Кафедра «Промышленная электроника»
Р Е Ф Е Р А Т
по дисциплине «Основы научных исследований»
Разработка управления энергосберегающей системы освещения
университета с использованием вспомогательного источника
питания – энергии Солнца
2015
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
по дисциплине «Научно-исследовательская работа»
Разработка управления энергосберегающей системы освещения
университета с использованием вспомогательного источника
питания – энергии Солнца
2015
Содержание
Введение ................................................................................
.................................
1 Теоретические аспекты проблем ........................................................................
2 Предварительная разработка проекта энергосберегающей системы
освещения университета....................................................................
.................
Заключение ................................................................................
.............................
Список использованных источников ...................................................................
Введение
Актуальность темы диссертации.
Необходимость перехода к управлению энергосберегающей системы освещения связана с задачей повышения эффективности систем освещения (СО). Эффективность СО определяется в основном стоимостью электроэнергии [1].
Структура стоимостных показателей любой СО выглядит следующим образом:
¾ капитальные затраты на осветительные приборы (ОП) – 10-15 %;
¾ затраты на монтаж и обслуживание СО – 15 %;
¾ стоимость электроэнергии – 70-75 %.
Однако экономия электроэнергии на организацию освещения не должна достигаться за счет снижения норм освещенности в помещении, отключения части световых приборов или отказа от использования искусственного освещения при недостаточном уровне естественного освещения, поскольку потери от ухудшения условий освещения могут значительно превосходить стоимость сэкономленной энергии. Поэтому эффективной можно считать такую СО.
Которая создает высококачественное освещение и сохраняет свои характеристики на протяжении длительной работы при наименьших эксплуатационных затратах.
Анализ литературы показывает, что расходы электроэнергии на организацию освещения достигает 80 % в структуре энергопотребления офисных зданий. Оптимизировать энергопотребление можно за счет применения УЭСО.
УЭСО обеспечивает необходимые уровни освещенности в процессе работы СО в соответствии с заданной программой, минимизируя при этом расход электроэнергии.
При использовании УЭСО снижение энергопотребления достигается за счет нескольких факторов.
Во-первых, как правило, при избыточном количестве светильников создаваемая в помещении освещенность выше необходимого уровня и может автоматически уменьшаться до требуемого значения, что снижает энергопотребление на 15-20%.
Во-вторых, наиболее значительного снижения потребления электроэнергии можно добиться при более широком использовании естественного освещения, так как в течение достаточно большого промежутка времени в течение суток система искусственного освещения может не использоваться, или использоваться на минимальную мощность (рисунок 1).
По расчетам, проведенным в нескольких типовых помещениях с оконными проемами, использование УЭСО [4], учитывающий уровень естественной освещенности, позволяет снизить энергопотребление на 25-40 %.
Рисунок 1 – Уровень естественного освещения в течение суток
в помещении
В-третьих, суммарная наработка СО в условиях отсутствия автоматического управления превышает целесообразные значения, так как искусственного освещение остается включенным и при отсутствии в помещении людей.
Проблемы.
Проведенный анализ показал, что предлагаемые сегодня на рынке УЭСО не способны использовать весь возможный потенциал энергосбережения при организации искусственного освещения. Контроллеры УЭСО работают, как правило, только с двумя датчиками (освещенности и движения) и не способны учитывать особенности помещения, параметры маршрутов перемещения людей внутри помещения, времени суток и т.д.
Также, на рынке отсутствует объединенная система энергообеспечения для освещения наряду с основным источником электроэнергии. То есть, отсутствует система освещения университета с применением альтернативных источников энергии.
Степень научной разработанности проблемы.
Разработка управления энергосберегающей системы освещения
университета с использованием вспомогательного источника питания – энергии Солнца возможна при применении существующих подходов к построению УЭСО и ее усовершенствование.
В настоящее время существуют два типа УЭСО:
1. Одноуровневая УЭСО;
2. Двухуровневая УЭСО.
Рассмотрим кратко приведенных двух типов.
В одноуровневой УЭСО обработка информационного сигнала (данные об освещенности, присутствия людей, сигналы ручного управления и т.д.) осуществляется на единственном уровне контроллера (К) [3].
Информационные сигналы вырабатываются соответствующими датчиками (Д), после чего поступают в контроллер. В соответствии с заложенным в него алгоритмом контроллер вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на исполнительные блоки. Определяющие режим работы осветительного прибора. Ввиду практически полной незащищенности от сбоев в контроллере, при которых происходит нарушение работы всей УЭСО, одноуровневые УЭСО целесообразно использовать для одной или нескольких групп близко расположенных светильников, т.е. для реализации локальных УЭСО.
Для решения задач централизованного управления логично использовать двухуровневые УЭСО. Данная схема сохраняет частичную работоспособность при отказе любых ее элементов и предоставляет большие возможности по интеграции СО с другими информационными системами (рисунок 2).
Рисунок 2 – Принципы построения УЭСО
В работе будет сформирован принцип построения системы с использованием альтернативного (вспомогательного для основного) источника питания, необходимой для балансировки нагрузок для освещения университета (рисунок 3,4) [8].
Рисунок 3 – Схема фотоэлектрической станции, соединенной
промышленной сетью
Рисунок 4 – Схема ФЭС электростанции
Как ранее было сказано, на сегодняшний день важными являются такие факторы как энергосбережение и энергоэффективность. Но, проведя исследование, с учетом приведенного выше Примера, а также анализа затрат на освещение можно сделать вывод о том, что еще недостаточно проработан вопрос по экономичному использованию электроэнергии для освещения университета.
Также недостаточная степень разработанности вопроса по управлению энергосберегающей системы освещения и применение при этом альтернативных источников энергии определили в итоге тему данного диссертационного исследования, и объясняет его актуальность.
Научная новизна полученных результатов будет состоять в новых запатентованных способах управления освещения, а также методы внедрения альтернативных (в качестве вспомогательного) источников питания.
Объектом исследования является система освещения, позволяющая в себе объединить два способа питания для освещения университета.
Предметом исследования будут являться способы и алгоритмы включения и отключения, а также управления освещением университета на базе новых принципов управления.
Цель диссертационного исследования будет определена по следующим функциям системы:
1. Должна быть энергоэффективной и энергосберегающей;
2. Общаться с человеком на языке, максимально приближенном к естественному человеческому языку;
3. Управлять любыми исполнительными устройствами системы вне зависимости от их расположения и назначения;
4. Интегрироваться с внешними системами (видеонаблюдение, сети передачи данных и т.д.) для обмена данными;
5. Быть простой в использовании и понятной для Пользователя.
Практическая значимость полученных результатов будет состоять в разработке действующей технологии управления энергосберегающей системой освещения университета с использованием альтернативного источника питания (энергии).
В основе содержания работы будут рассмотрены следующие пункты:
¾ во введении будет обоснована актуальность исследования, показана степень разработанности обозначенных проблем, поставлена цель, сформированы задачи, определены методы и способы исследования, раскрыта практическая значимость полученных результатов;
¾ в первой главе будет произведен обзор существующих в настоящее время принципов построения освещения, методов построения системы с использованием альтернативных источников энергии для вспомогательного питания освещения; способы объединения основного источника электроснабжения с альтернативным - энергия Солнца;
¾ во второй главе будет проработаны и исследованы новые способы построения систем управления освещения;
¾ в третьей главе будет разработана схемная реализация системы управления энергосберегающей системы с использованием вспомогательного источника питания-энергии Солнца.
1 Теоретические аспекты проблем
Федеральным законом от 26.03.2003 № 35-ФЗ «Об электроэнергетике» предусмотрены механизмы поддержки стимулирования производства электрической энергии генерирующими объектами, функционирующими на основе использования электрической энергии и мощности (далее - ВИЭ).
В настоящее время стоимость электрической энергии, произведенной генерирующими объектами ВИЭ. Зачастую превышает стоимость электрической энергии, произведенной традиционным способом. Действующее законодательство в сфере электроэнергии позволяет потребителям самостоятельно выбирать способ сокращения своих издержек. В том числе за счет использования возобновляемых источников энергии.
При анализе экономической целесообразности использования генерирующих объектов, функционирующих на основе выработки электрической энергии от погодных условий, времени суток и сезонности. Выработка электрической энергии на таких электрических станциях происходит в условиях значительных устойчивых колебаний. Для их использования в энергосистеме требуется в постоянном режиме готовности держать другие типы генерации для поддержания стабильности в энергосистеме, что в конечном итоге приведет к значительному росту тарифов для потребителей.
Однако ФГБУ «РЭА» Минэнерго России считает приоритетным направлением развития ВИЭ в технологически изолированных территориальных электроэнергетических системах России [7].
В указанных электроэнергетических системах генерирующие объекты, функционирующие на основе использования ВИЭ по стоимости производства электрической энергии уже сегодня могут сравниться с традиционной генерацией, представленной в большинстве случаев дизельными электростанциями, функционирующими на основе привозного топлива, при этом также возможно рассматривать использование гибридных электростанций (технологии на основе дизель-солнечных. ветро-дизельных, ветро-солнце-дизельных решений).
2 Предварительная разработка проекта энергосберегающей
системы освещения университета
Энергоэффективность предприятий и учреждений России в несколько раз уступает среднемировому уровню, что сдерживает экономический рост и благосостояние народа. Президентом Российской Федерации определены главные направления развития: энергоэффективность и энергосбережение. В соответствии с нормативно-правовыми актами Российской Федерации принята федеральная программа повышения энергоэффективности, а во всех субъектах РФ разработаны региональные программы энергосбережения.
Основная цель этих программ - решить задачу по снижению энергоемкости на 40 % к 2020 году.
Практика показывает, что на внутреннее освещение затрачивается более 35% от общего потребления предприятием электроэнергии. Снизить энергопотребление за счет энергопотребления электроприборов. Стендов и установок не представляется возможным. Затраты на электроэнергию можно уменьшить путем:
¾ рационального использования осветительного оборудования;
¾ применение альтернативных источников энергии как вспомогательным средством для основного электроснабжения.
Для рассмотрения вопроса о возможности сэкономить или приблизить энергетические показатели близко к оптимального попробуем соединить приведенные выше пути воедино, что в итоге даст такую систему, которая по своим характеристикам не будет уступать зарубежным аналогам.
Но для начала хотелось бы привести пример, на основе которого можно продемонстрировать решение первой задачи (Пример).
Пример
Допустим, что одной из Российской компании, выпускающей оборудование для автоматического управления инженерными системами зданий, в 2015 году было разработано специальное решение для модернизации систем освещения университета с установкой систем светорегулирования. В феврале 2015 г по запросу одной энергосервисной компании (далее ЭСКО), был сделан расчет эффективности установки предлагаемого оборудования в университете г.Комсомольска-на-Амуре.
Основные требования ЭСКО:
¾ обеспечить максимально возможную экономию электроэнергии;
¾ решение должно быть недорогим и иметь срок окупаемости не более 4-х лет.
Задачи.
1. Оценить техническую часть предлагаемого решения для всех видов освещения университета:
¾ освещения учебных аудиторий;
¾ освещения коридоров, холлов;
¾ освещения спортивного зала;
¾ освещения прилегающей территории.
2. Произвести оценку экономии в натуральном и денежном выражении.
3. Произвести оценку срока окупаемости и примерного размера доходности вложений ЭСКО при заключении 4-летнего энергосервисного контракта с университетом.
Сведения об учреждении:
1. Количество этажей – два 2.
2. Количество учебных аудиторий – 27.
3. Тип установленных светильников:
2х36Вт и 4х18Вт.
4. Тип установленных светильников в спортзале – ДРЛ-250Вт.
5. Потребление электроэнергии за 2015 год – 63 580 кВт*ч. 6.
Стоимость 1 кВт*ч с НДС – 6,10 руб.
Описание мероприятий:
1. Учебные аудитории.
В соответствии с принятыми в РФ типовыми решениями по освещению вузов стандартных аудиторий оборудованы светильниками с люминесцентными лампами 2хЛБ-40 (сегодня это, как правило, 2х36Вт) в количестве 12 шт (светильники у доски в расчет не принимаются). При этом расчетная освещенность на уровне парты равна 300 лк, что ниже действующей сегодня нормы в 400 лк (рисунок 5).
Рисунок 5 - Типовая схема освещения стандартной аудитории
Стандартные светильники, имеющие электромагнитные пусковые устройства (дроссель+стартер), потребляют на 20% больше электроэнергии, чем суммарная мощность их ламп. Это происходит из-за потерь энергии на нагрев дросселей. Этот факт известен уже давно и неоднократно проверен практическими измерениями. В итоге стандартный светильник с двумя люминесцентными лампами мощностью 36Вт потребляет из сети
2х36Вт + 20% = 86Вт.
Общее энергопотребление системы освещения стандартных аудиторий составляет
12 шт х 86Вт = 1 032 Вт или 20,7Вт/кв.м.
Широко применяемые в нашей стране лампы мощностью 36Вт, 18Вт устаревшей серии Т8 имеют невысокую светоотдачу – около 70 лм/Вт, срок службы 8 000 час, значительный уровень спада светового потока в период эксплуатации – до 30% и запрещены к применению в большинстве европейских стран. Наилучшая альтернатива для учебных заведений сегодня – современные люминесцентные лампы серии Т5 мощностью 35Вт. Они имеют светоотдачу 104 лм/Вт (как светодиоды), срок службы 24 000 час, спад светового потока всего 5% через 10 000 час эксплуатации и содержат в 10 раз меньше паров ртути. Высокий индекс цветопередачи (более 80) позволяет человеческому глазу правильно воспринимать цвета предметов.
Модернизация системы общего освещения аудиторий предполагает выполнение следующих мероприятий:
1. Замену старых светильников с лампами Т8 2х36Вт новыми серии К22- 135У с лампами Т5 1х35Вт с функцией плавного регулирования мощности в диапазоне 2-100% в количестве 12 шт на аудиторию;
2. Установку датчиков освещенности К2110, плавно регулирующих мощность искусственного освещения в зависимости от уровня солнечного света, проникающего в класс через окна.
Светильники соединяются в сплошную световую линию, обеспечивая высокую равномерность освещения. Длина светильника - 1500 мм, поэтому по длине аудиторий их нужно установить 4 шт вместо 6 шт 2х36Вт длиной 1200 мм.
Рисунок 6 - Внешний вид светильников и «световой линии»
Общее энергопотребление новой системы освещения стандартных аудиторий составит
12 шт х 35Вт = 420 Вт.
Система регулирования с датчиками освещенности К2110 обеспечивает дополнительную экономию в размере, как минимум, 20%. В итоге энергопотребление одной аудитории составит
420Вт – 20% = 336 Вт или 6,7 Вт/кв.м,
то есть сократится в 3 раза.
Рисунок 7 - Схема расстановки светильников и датчиков освещенности
в стандартной аудитории
Освещенность на уровне парт по результатам фактических замеров составляет 400 лк (крайние парты) - 530 лк (центр).
2. Места общего пользования (коридоры, холлы, рекреация, далее - МОП).
Модернизация системы освещения МОП предполагает выполнение следующих мероприятий:
1. Замену старых светильников с лампами Т8 2х36Вт новыми серии К22- 154У с лампами Т5 1х54Вт с функцией плавного регулирования мощности в диапазоне 2-100%;
2. Установку на персональный компьютер программы для подачи университетского звонка;
3. Установку системы автоматики для регулирования мощности системы освещения МОП.
Замена светильников МОП Сегодня освещение МОП выполнено, как правило, с использованием светильников 2х36Вт (или 4х18Вт), потребляющих от сети 86Вт каждый. Общее энергопотребление существующей системы освещения МОП составляет
34 шт х 86Вт = 2924 Вт
При модернизации устанавливаются новые люминесцентные светильники серии К22-154У с одной лампой серии Т5 мощностью 54Вт с функцией регулирования мощности. Общее энергопотребление новой системы освещения МОП составит
34 шт х 54Вт = 1836 Вт.
Дополнительная экономия за счет применения системы автоматики – 30% (описание – далее). Итого общее энергопотребление автоматизированной системы освещения МОП
1836Вт – 30% = 1285 Вт.
Для управления звонками можно придумать компьютерную программу «Университетский звонок».
Программа позволяет управлять университетским звонком, в том числе и по индивидуальным расписаниям для групп, если продолжительность пар в аудиториях менее 90 мин. Звонок может подаваться как проигрыванием звуковых файлов (wav, mp3) с дальнейшей трансляцией в систему оповещения университета, так и с помощью обычных электромеханических устройств. Компьютер также сообщает контроллеру, управляющему освещением МОП, информацию о текущем состоянии учебного процесса – пара или перемена.
Но все-таки, перейдем к освещению, а именно, к автоматическому управлению.
Для снижения потребления электроэнергии система управления автоматически переводит освещение коридоров, холлов и зон отдыха в экономичный режим работы во время пар. Для этого по заложенному в компьютере расписанию звонков (программа «Университетский звонок») специальный контроллер управления освещением переключает соответствующие светильники в режим пониженной мощности (10-20% от номинального значения).
Если систему дополнить датчиками движения, то в случае появления в коридоре человека во время пары, световой поток соответствующей группы светильников плавно увеличится, создавая возможность комфортного передвижения. Во время перемены всѐ освещение МОП работает в режиме полной мощности. Предусмотрена связь с системой пожарной сигнализации здания – при возникновении пожара освещение МОП автоматически переключается в режим номинальной мощности для обеспечения нормальной эвакуации людей из здания университета.
Рисунок 8 - Система управления освещением МОП в комплексе
с системой подачи звонков
Освещение спортивного зала.
Вместо светильников с дуговыми ртутными лампами ДРЛ-250 (потребление с учетом потерь в дросселях 300Вт каждый) в количестве 6 шт (итого 1800Вт) устанавливаются регулируемые светильники с люминесцентными лампами серии Т5 2х54Вт в количестве 12шт с датчиками освещенности К2111 (экономия энергии - 20%).
Общее потребление спортзала после модернизации составит
12шт х 108Вт – 20% = 1037 Вт.
Освещение прилегающей территории.
Данный вид освещения в расчетах не предусмотрен, так как на фасаде университета этих светильников нет. Общий подход при реконструкции уличного освещения следующий: замена ламп ДРЛ-250Вт на равноценные по световому потоку ДНаТ-150Вт с ночным понижением мощности на 40% (контроллер К2000Т).
Выводы.
Проект является комплексным и предусматривает модернизацию всех видов освещения университета с максимальной эффективностью благодаря применению системы автоматики и современных источников света [2].
Применяемое в проекте оборудование производится в России. При необходимости обслуживать его может электрик университета.
Примечание.
Приведенные расчеты являются примерными, и не являются уточненными.
Заключение
Реализация УЭСО с использованием вспомогательного источника питания позволит снизить общий уровень энергопотребления и приведет к повышению удобства пользователей за счет новых функциональных возможностей:
¾ контроль состояний помещения, а именно: контроль количественных и качественных характеристик освещения в различных зонах помещения; контроль наличия людей в помещении;
¾ контроль состояния органов ручного управления освещением; контроль исправности светильников и режима их работы, контроль напряжения, тока, энергопотребления осветительной установки, а также характеристик качества электроэнергии;
¾ включение и выключение освещения в помещении полностью или по группам светильников; плавная регулировка светового потока каждого светильника или отдельных групп светильников.
Из-за использования в качестве вспомогательного источника энергии позволит:
¾ уменьшить энергозатраты на потребляемую электроэнергию для освещения;
¾ ввести балансировку нагрузки на основной источник питания;
¾ автономного управления при отсутствии основного источника питания;
¾ повысить энергоэффективность и улучшит энергосбережение;
¾ и другие.
Управляемое включение системы освещения при использовании вспомогательного источника питания позволит продолжать работу осветительных установок без дополнительных потерь.
Список использованных источников
1 Энергосбережение в освещении / под ред. проф. Ю. Б. Айзенберга. - М.: Знак, 1999. - 264 с.
2 Агафонов, Г. A. На пути к полному контролю / Г. A. Агафонов // Install Pro Magazine. - 2005. - № 6(36). - С. 68-69.
3 Амосов, О. С. Автоматизированная система управления освещением организации / О. С. Амосов, М. Е. Елисеев, А. С. Тихонов // Актуальные проблемы математики, физики, информатики в вузе и школе: материалы Междунар. науч.-практ. конф., Комсомольск-на-Амуре, 23 марта 2012 г. - Комсомольск-на-Амуре: Изд-во АмГПГУ, 2012. - С. 37-41.
4 Амосов, О. С. Структура автоматизированной системы управления освещением организации / О. С. Амосов, М. Е. Елисеев, А. С. Тихонов // Актуальные проблемы математики, физики, информатики в вузе и школе: материалы Междунар. науч.-практ. конф., Комсомольск-на-Амуре, 23 марта 2012 г. - Комсомольск-на-Амуре: Изд-во АмГПГУ, 2012. - С. 41-45.
5 Варфоломеев, Л. П. Электронные пускорегулирующие аппараты и системы управления освещением. Новости светотехники: вып. 1(36) / Л. П. Варфоломеев; под ред. Ю. Б. Айзенберга. - М.: Дом Света, 2002. - 15 с.
6 Соловьев, В. А. Автоматизация синтеза нечетких подсистем экспертной системы промышленного предприятия / В. А. Соловьев, М. А. Горькавый // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре гос. техн. ун-та. Науки о природе и технике. - 2010. - № 1. - С. 27-35.
7 О рассмотрении обращения, Министерство энергетики Российской Федерации-ФГБУ «РЭА» Минэнерго России, г.Москва………………………….
8 
Выбор автономной солнечной системы электроснабжения. [Электронный ресурс] // Расчет фотоэлектрической системы. URL:http://www.solarbat.info/raschet-fotoeleketricheskoi-sistemi/ viboravtonomnoi-solnechnoi-sistemi (дата обращения 12.11.2015).
 |
(zip - application/zip)
Статистика файлового архива
