ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Энергосбережение – это комплекс мероприятий, который направлен на экономное использование энергетических ресурсов. В отрасли энергетики под энергосбережением, как правило, понимают снижение энергопотребления и использование нетрадиционных источников энергии. Другой стороной рационального использования энергоресурсов является энергоэффективность, то есть использование меньшего количества энергии для обеспечения того же уровня энергообеспечения зданий и технологических процессов на предприятии. Сейчас эти понятия взаимодополняют друг друга и являются одним целым.

В последнее время цены на энергоресурсы значительно выросли, потому все чаще поднимается вопрос о снижении энергозависимости. В Украине большинство учебных заведений государственные и ранее вопрос об энергосбережении ставился не часто. Но в непростом экономическом положении составление программы рационального использования энергии, в частности электрической, в учебных заведениях носит приоритетный характер.

В Донецком национальном техническом университете раньше практически не рассматривался вопрос оптимизации электроснабжения многоэтажных учебных корпусов. Этот вопрос очень многогранен и нуждается во всестороннем рассмотрении. Оптимизация системы электрического освещения зданий и их технологического оборудования может принести большую экономию. Основными возможностями снижения счетов за электроэнергию являются:

Целью магистерской работы является анализ методов сбережения электроэнергии и повышения энергонезависимости восьмого учебного корпуса Донецкого национального технического университета.

1. Энергосбережение за счет освещения

Самый простой метод экономии электроэнергии в быту – совершенствование освещения помещений, прежде всего – использование экономичных осветительных приборов [1].

Сегодня в продаже можно встретить следующие виды осветительных ламп:

Лампы накаливания (ЛН) уже много десятилетий выпускаются с паспортным сроком службы 1000 часов. В каталогах ведущих производителей присутствуют ЛН Longlife с удвоенным сроком службы.

Но все же: сколько проработают ЛН в наших реальных условиях? Тесты основных марок показали разброс от 700 до 1300 часов [2]. Формально это всего несколько месяцев эксплуатации, обычно 6–10. Опыт показывает, что ЛН вполне могут служить по 2–3 года, практически не уступая в этом люминесцентным лампам (ЛЛ). Причин две:


Зависимость показателей ЛН от напряжения

Рисунок 1 – Зависимость показателей ЛН от напряжения

Но другой стороной повышения срока службы является снижение КПД. Кроме того, диммер – это не стабилизатор, и в особо тяжелых случаях (частые броски напряжения, например при отключении мощной нагрузки) ЛН попрежнему будут перегорать чаще, чем хочется [3].

В настоящее время, существует два основных вида энергосберегающих ламп: компактные люминесцентные (КЛЛ) и светодиодные.

Рассмотрим КЛЛ. По световой отдаче (~75 Лм/Вт) КЛЛ приближаются к обычным ЛЛ. В тоже время КЛЛ мощностью 10 Вт обеспечивает такую же освещенность, что и ЛН мощностью 50 Вт. Кроме того, современные компактные люминесцентные лампы служат в 6–8 раз дольше и легко встраиваются в существующие светильники, в которых прежде использовались лампы накаливания.

Недостатками люминесцентных ламп являются медленный разогрев, непривычный свет, а также чувствительность к перепадам и снижению напряжения.

Разрушительно на лампу действуют частые включения – от этого изнашивается не только ЭПРА (электронный пускорегулирующий аппарат), но и катоды в разрядной колбе. Считается, что каждое включение уносит не менее часа ресурса. Этого недостатка лишены КЛЛ, оснащенные функцией плавного старта.

Кроме того, в составе этих ламп содержится высокотоксичная ртуть. В связи с этим поврежденные и перегоревшие люминесцентные КЛЛ опасны для здоровья и окружающей среды и подлежат правильной утилизации.

Светодиодные лампы, включающие светодиоды, являются в настоящее время одними из самых перспективных видов ламп. По сравнению с другими типами ламп, они являются более надежными и экономичными, чем лампы накаливания и люминесцентные лампы. Светодиодные лампы стабильно работают в любых климатических условиях и устойчивы к перепадам напряжения. Кроме того, они очень долговечны и не содержат ртуть.

Светодиодные светильники позволяют регулировать освещённость снижением питающего напряжения (традиционные светильники на газоразрядных лампах этого не допускают, при снижении напряжения они выключатся).

Основным преимуществом светодиодных ламп, над остальными типами ламп является низкое электропотребление и очень долгий срок службы (20–50 тысяч часов). Лампе накаливания мощностью 40 Вт соответствует светодиодная лампа мощностью 5 Вт, а лампе накаливания мощностью 75 Вт – светодиодная лампа мощностью 10 Вт [2].

Подводя итоги, видим, что существуют большие перспективы по энергосбережению за счет освещения. Помимо замены устаревших ламп накаливания на современные компактные люминесцентные или светодиодные, перспективным является установка датчиков движения для включения/отключения освещения в коридорах и внешнего освещения корпусов.

2. Использование автоматизированной системы учета электроэнергии

Поскольку в учебных корпусах оборудование, потребляющее реактивную энергию, имеет очень небольшое время включения (коэффициент включения), целесообразным может быть установка счетчиков, которые отдельно учитывают активную и реактивную энергию. Это поможет снизить расходы на оплату электроэнергии и избежать дополнительных капиталовложений на компенсирующие устройства.

Основными недостатками традиционной системы учета электроэнергии являются:

  1. Фиксация только итоговых результатов измерений за расчетный период.
  2. Учет только на границе раздела с поставщиком энергоресурсов, и поэтому отсутствие оценки распределения энергозатрат внутри предприятия.
  3. Невысокая точность и достоверность (устаревшие средства и методы учета, ошибка при списывании показаний, неодновременный съем информации с множества территориально распределенных приборов, учитывающих один вид энергоносителя), низкая информативность и значительная трудоемкость в силу ручного сбора и обработки информации [4].

Учет электроэнергии можно разделить на коммерческий и технический. При коммерческом учете используются более точные счетчики, а показатели передаются в энергоснабжающую компанию. При техническом учете данные счетчиков используются лишь в пределах учебного заведения, что позволяет использовать счетчики с более низким классом точности [5].

Помимо простоты и точности, системы автоматизированного учета электроэнергии позволяют хранить собранные показания в базах данных. Это открывает возможности для длительного наблюдения за процессом потребления электроэнергии и анализа данных для более качественного внедрения энергосберегающих технологий с целью оптимизации работы электрических сетей многоэтажных учебных корпусов.

Целесообразность использования интеллектуальных счетчиков для коммерческого и технического учета электроэнергии решается на основании технико-экономического расчета.

3. Компенсация реактивной мощности

3.1 Основные положения


Все процессы в электрических системах можно охарактеризовать тремя параметрами: напряжением U, током I и активной мощностью P. Но для удобства расчетов и учета применяют и другие параметры, в том числе реактивную мощность Q. Реактивная мощность идет на создание магнитного и электрического полей. Индуктивная нагрузка рассматривается как потребитель реактивной мощности, а емкостная – как ее генератор.

Для характеристики мощности цепи переменного тока требуется дополнительный показатель, отражающий сдвиг фаз тока и напряжения – угол φ (рис. 2, а).


Изменение тока и напряжения в цепи переменного тока (а) и треугольник мощностей (б)

Рисунок 2 – Изменение тока и напряжения в цепи переменного тока (а) и треугольник мощностей (б)

Реактивная мощность, потребляемая трехфазным силовым трансформатором, расходуется, как и в АД, на намагничивание магнитопровода трансформатора (QТ.0) и на создание полей рассеяния (QТ.Р).


Анимация: 21 кадр, 8 повторений

Рисунок 3 – Эквивалентная схема системы электроснабжения и изменение угла φ и
напряжения в узлах А, Б, В, Г, Д

Потребление трансформатором реактивной мощности на намагничивание в несколько раз меньше, чем АД, из-за отсутствия воздушного зазора в трансформаторе. Но за счет того, что число трансформаций напряжения в системе электроснабжения достигает 3–4 и имеет тенденцию к росту до 5–6, суммарная номинальная мощность трансформаторов во много раз больше, чем АД. Поэтому расходы реактивной мощности в АД и в трансформаторах в такой системе соизмеримы.

Из всей потребляемой трансформаторами реактивной энергии около 80 % расходуется на намагничивание [6].

Передача значительной реактивной мощности в системе электроснабжения приводит к дополнительным потерям напряжения, активной мощности и загрузки линий реактивной мощностью.

Из сказанного следует, что технически и экономически целесообразно предусматривать дополнительные мероприятия по уменьшению передачи реактивной мощности, которые можно разделить на две группы:

Примером КУ может быть конденсаторная батарея, подключаемая параллельно активно-индуктивной нагрузке, например асинхронному двигателю. Принцип такого КУ поясняет рис. 4. Подключение конденсатора C уменьшает угол сдвига фаз между током и напряжением нагрузки и соответственно повышает коэффициент мощности нагрузки. Потребляемый из сети ток снижается с I1, до I2.

Схема замещения цепи линия-приемник электроэнергии при параллельном подключении конденсатора (а) и векторная диаграмма (б)

Рисунок 4 – Схема замещения цепи линия-приемник электроэнергии при параллельном подключении конденсатора (а) и векторная диаграмма (б)

Основной недостаток емкостных КУ заключается в том, что при понижении напряжения в сети они снижают выдачу реактивной мощности пропорционально квадрату снижения напряжения, в то время как требуется ее повышение. Регулирование мощности БК осуществляется только ступенями, а не плавно и требует установки дорогостоящей коммутационной аппаратуры.

Синхронные машины могут генерировать и потреблять реактивную мощность, т.е. оказывать на электрическую сеть воздействие, тождественное воздействию емкостной и индуктивной нагрузок. При перевозбуждении синхронной машины генерируется реактивная составляющая тока статора, значение которой растет при увеличении тока возбуждения. Перевозбужденная синхронная машина генерирует опережающий ток, подобно конденсатору.

Синхронные компенсаторы (СК) представляют собой синхронные электрические машины, работающие в режиме двигателя без нагрузки на валу. Они предназначены специально для выработки реактивной мощности. Удельная стоимость вырабатываемой мощности, грн./квар, и удельные потери, кВт/Мвар, для СК значительно больше, чем для СД, так как удельные сто¬имость и потери целиком приходятся на реактивную мощность; кроме того, добавляются расходы на эксплуатацию СК. При большом дефиците реактивной мощности в точке подключения потребителей, когда требуется плавное и быстродействующее средство регулирования напряжения, оказывается выгодным ввод СК. При наличии резкопеременной реактивной нагрузки зона применения СК расширяется.

К недостаткам СК относятся:

3.2 Компенсация реактивной мощности в многоэтажных корпусах


В многоэтажных корпусах учебных заведений есть оборудование, которое потребляет реактивную энергию. К такому оборудованию могут относиться двигатели лабораторий и лифтовых установок, другое лабораторное оборудование. В сети появляются скачки напряжения, сдвиг фаз тока и напряжения, потоки реактивной энергии. Все это приводит к увеличению расходов на электроэнергию, а также к ухудшению качества электроэнергии, которая негативно отображается на работе другого оборудования.

Согласно [5] учитывается активная и реактивная электроэнергия, которая получается потребителем от энергоснабжающей компании.

Необходимо определить источники реактивной мощности и для решения отмеченных выше проблем применить нерегулируемые или ступенчато-регулируемые конденсаторные батареи (КБ).

В многоэтажных корпусах, которые имеют очень разветвленную электрическую сеть, ключевым является вопрос об оптимальном месте установки компенсирующих устройств.

Однозначным решением проблемы могло бы быть дополнительная установка конденсаторов на каждом электроприемнике, который потребляет реактивную энергию. Однако эту схему на практике использовать трудно, поскольку требуется много конденсаторов разной мощности, а это – большие капиталовложения.

Другим решением является установка КБ на шинах 0,4 кВ ТП, питающей учебный корпус. Установка КБ в городских ТП и их эксплуатация не представляет существенных трудностей, но может иметь меньший экономический эффект и не решает проблему наличия потоков реактивной мощности в сложной электрической сети многоэтажного здания.

Наиболее выгодной с точки зрения теории является смешанная схема, когда реактивная мощность наиболее мощных приемников компенсируется с помощью индивидуальных компенсаторов, а остаток реактивной энергии – с помощью автоматических конденсаторных установок, подключенных на вводе корпуса или на шинах питания в ТП [6].

На выбор схемы компенсации влияет схема электрической сети здания.

При радиальной схеме удобно применить схему общей компенсации реактивной энергии. При относительно небольшой длине линий и распределенной нагрузке, установка КБ на шинах ТП 0,4 кВ позволяет разгрузить питающую сеть и трансформаторы.

При магистральной схеме питания можно применить смешанную или индивидуальную схему компенсации, которая снизит токи в магистральном кабеле (токопроводе) [8].

Целесообразность установки компенсирующих устройств, а также схемы их подключения решается на основании технико-экономического расчета.

4. Использование альтернативных источников электроэнергии

Основными и самыми распространенными на сегодняшний день альтернативными источниками электроэнергии являются энергия ветра и Солнца.

Ветрогенератор – устройство, предназначенное для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Необходимым требованием для стабильной работы ветряной установки является высокий уровень ветра.

Недостатком является дискретность энергетических потоков – периодичность поступления и изменяемость энергетического потенциала. Нестабильность ветрового потока приводит как к снижению количества вырабатываемой электроэнергии, так и к снижению срока службы из-за износа тормозной системы. Современные технологии и оборудование, а также приемы рационального использования ветроустановок фактически ликвидировали препятствия относительно их широкомасштабного внедрения [9].

Солнечная батарея – несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) – полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Сила тока в солнечном элементе будет изменяться пропорционально количеству захваченных поверхностью фотоэлемента фотонов. Этот показатель, в свою очередь, также будет зависеть от множества дополнительных факторов – это интенсивность светового излучения, площадь, которую занимает фотоэлемент, время эксплуатации, КПД устройства, которое зависит от температуры (при ее повышении проводимость фотоэлемента значительно падает) [10].

Мощность потока солнечного излучения на расстоянии 150 млн. км от Солнца, без учёта потерь в атмосфере Земли, составляет около 1350 Вт (в южных областях Украины) и 1300 Вт (в восточных) на квадратный метр. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м2. С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9–24 %. При этом цена батареи составит около 8–24 грн. за Вт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВтч составит 2 грн.

Известно, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с эффективностью 43 %. В 2012 году ожидается поступление на рынок солнечных элементов с эффективностью 39 % [11].

Альтернативные источники энергии не способны выдавать сверхбольшие мощности (занимая при этом малые площади для своей работы), они не могут работать в непрерывном режиме, для поддержания необходимых и постоянных значений (стабилизации) основных параметров: силы тока и напряжения – необходимо использование дополнительных устройств (стабилизаторы, аккумуляторы). Но в качестве дополнительного источника электрической энергии в многоэтажных учебных корпусах, они полностью подойдут.

Список источников

  1. Тульчин И.К., Нудлер Г.И. Электрические сети жилых и общественных зданий. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 304 с.
  2. Кузнецов В.С. Электроснабжение и электроосвещение городов: учебное пособие для вузов / Кузнецов Вячеслав Сергеевич; В.С. Кузнецов. – Минск: Вышэйшая школа, 1989. – 135 с.: ил.
  3. Сибикин Ю.Д. Электроснабжение промышленных и гражданских зданий: учеб. для студ. сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 368 с.
  4. Воеводин И.С., Тихонова О.А., Безрукова Е.В. – Разработка автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://forca.ru/...
  5. Правила устройства электроустановок. – X.: Изд-во «Форт», 2009. – 704 с.
  6. Константинов Б.А. Зайцев Г.3. Компенсация реактивной мощности. – Л., «Энергия», 1976. – 104 с.
  7. Красник В.В. Автоматические устройства компенсации реактивной мощности. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 134 с.
  8. Федоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 472 с.
  9. Лосюк Ю.А., Кузьмич В.В. Нетрадиционные источники энергии (Учебное пособие). – Мн.: УП «Технопринт», 2005. – 237 с.
  10. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 393 с.
  11. Gevorkian Peter Alternative energy systems in building design. – The McGraw-Hill Companies, 2009. – 545 с.
  12. Ляшков В.И., Кузьмин С.Н. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. – 72 с.
  13. Ополева Г.Н. Схемы и подстанции электроснабжения. – М.: Инфра-М, 2006. – 481 с.
  14. Козлов В.А. Электроснабжение городов / Козлов Владимир Алексеевич; В.А. Козлов. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. – 263 с.: ил.
  15. Электроснабжение городов / Козлов В.А. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. – 263 с.: ил.
  16. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий: Проектирование и расчет/ А.С. Овчаренко, М. Л. Рабинович, В.И. Мозырский, Д.И. Розинский. – К.: Техніка, 1985. – 279 с.
  17. Федоров А.А., Старкова Л.Е. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 368 с.: ил.
  18. Цигельман И.Е. Электроснабжение гражданских зданий и коммунальных предприятий: учебник для техникумов – М.: Высшая школа, 1977. – 392 с.: ил.
  19. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов: учебное пособие для профессионального технического образования – М.: Мастерство, 2001. – 320 с.: ил.
  20. Ермилов А.А. Электроснабжение промышленных предприятий / А.А. Ермилов, Б.А. Соколов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 144 с.: ил.
  21. Мукосеев В.А. Электроснабжение промышленных предприятий – 1973. – 473 с.
  22. Маньков В.Д. Основы проектирования систем электроснабжения. – Спб.: НОУ ДПО УМИТЦ «ЭлектроСервис», 2010. – 664 с.
  23. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для вузов – 2-е изд. – М.: Интермет Инжиниринг, 2006. – 672 с.
  24. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: учебник для средних специальных учебных заведений – Изд. 4-е, перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1990. – 363 с.
  25. Борисов Б.П. Электроснабжение электротехнологических установок / А.К. Шидловского; АН УССР,Ин-т электродинамики. – К.: Наукова думка, 1985. – 245 с.
  26. Электроснабжение электротехнологических установок: (конспект лекций): (для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 090603-электротехнические системы электропотребления) / Донецкий национальный технический университет; ДонНТУ; сост. В.П. Муха. – Донецк: ДонНТУ, 2007. – 152 с.
  27. Фокина О.М. Экономическое управление энергосбережением / О.М. Фокина, В.И. Алехин // Энергосбережение и водоподготовка № 1. – 2004. – с. 81–85.
  28. Назарычев А.Н. Обеспечение эффективности энергоснабжения на основе оценки технического ресурса электрооборудования / А.Н. Назарычев, Д.А. Андреев // Энергосбережение и водоподготовка № 1. – 2005. – с. 35–41.