ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Енергозбереження – це комплекс заходів, що спрямований на економне використання енергетичних ресурсів. У галузі енергетики під енергозбереженням, як правило, розуміють зниження енергоспоживання і використання нетрадиційних джерел енергії. Іншою стороною раціонального використання енергоресурсів є енергоефективність, тобто використання меншої кількості енергії для забезпечення того ж рівня енергозабезпечення будівель і технологічних процесів на підприємстві. Зараз ці поняття взаємодоповнюють один однє і є одним цілим.

Останнім часом ціни на енергоресурси значно зросли, тому все частіше підіймається питання про зниження енергозалежності. В Україні більшість навчальних закладів державні і раніше питання про енергозбереження ставилося не часто. Але в непростому економічному становищі складання програми раціонального використання енергії, зокрема електричної, в навчальних закладах носить пріоритетний характер.

У Донецькому національному технічному університеті раніше практично не розглядалося питання оптимізації електропостачання багатоповерхових навчальних корпусів. Це питання дуже багатогранне і потребує всебічного розгляду. Оптимізація системи електричного освітлення будівель та їх технологічного обладнання може принести велику економію. Основними можливостями зниження рахунків за електроенергію є:

Метою магістерської роботи є аналіз методів заощадження електроенергії та підвищення енергонезалежності восьмого навчального корпусу Донецького національного технічного університету.

1. Енергозбереження за рахунок освітлення

Найпростіший метод економії електроенергії в побуті – вдосконалення освітлення приміщень, насамперед – використання економічних освітлювальних приладів [1].

Сьогодні в продажі можна зустріти наступні види освітлювальних ламп:

Лампи розжарювання (ЛР) уже багато десятиліть випускаються з паспортним терміном служби 1000 годин. У каталогах провідних виробників присутні ЛН Longlife з подвоєним терміном служби.

Але все ж таки: скільки пропрацюють ЛН в наших реальних умовах? Тести основних марок показали розкид від 700 до 1300годин [2]. Формально це всього кілька місяців експлуатації (зазвичай 6–10). Досвід показує, що ЛР цілком можуть служити 2–3 роки, практично не поступаючись в цьому люмінесцентним лампам (ЛЛ). Причин дві:


Залежність показників ЛР від напруги

Рисунок 1 – Залежність показників ЛР від напруги

Але іншою стороною підвищення терміну служби є зниження ККД. Крім того, диммер – це не стабілізатор, і в особливо важких випадках (часті стрибки напруги, наприклад при відключенні потужного навантаження) ЛР як і раніше будуть перегорати частіше, ніж хочеться [3].

В даний час, існує два основних види енергозберігаючих ламп: компактні люмінесцентні (КЛЛ) і світлодіодні.

Розглянемо КЛЛ. За світловою віддачею (~75 Лм/Вт) КЛЛ наближаються до звичайних ЛЛ. У той же час КЛЛ потужністю 10 Вт забезпечує таку ж освітленість, що і звичайна ЛР потужністю 50 Вт. Крім того, сучасні компактні люмінесцентні лампи служать в 6–8 разів довше і легко вбудовуються в існуючі світильники, в яких раніше використовувалися лампи розжарювання.

Недоліками люмінесцентних ламп є повільний розігрів, незвичне світло, а також чутливість до перепадів та зниження напруги.

Руйнівно на лампу діють часті включення – від цього зношується не тільки ЕПРА (електронний пускорегулюючий апарат), а й катоди в розрядній колбі. Вважається, що кожне ввімкнення забирає не менше години ресурсу. Цього недоліку позбавлені КЛЛ, оснащені функцією плавного старту.

Крім того, в складі цих ламп міститься високотоксична ртуть. У зв'язку з цим пошкоджені і перегорілі люмінесцентні КЛЛ небезпечні для здоров'я та навколишнього середовища і підлягають правильній утилізації.

Світлодіодні лампи, що включають світлодіоди, є в даний час одними з найбільш перспективних видів ламп. У порівнянні з іншими типами ламп, вони є більш надійними й економічними, ніж лампи розжарювання і люмінесцентні лампи. Світлодіодні лампи стабільно працюють в будь-яких кліматичних умовах і стійкі до перепадів напруги. Крім того, вони дуже довговічні і не містять ртуті.

Світлодіодні світильники дозволяють регулювати освітленість зниженням напруги живлення (традиційні світильники на газорозрядних лампах цього не допускають, при зниженні напруги вони вимкнуться).

Основною перевагою світлодіодних ламп, над іншими типами ламп є низьке електроспоживання і дуже довгий термін служби (20–50 тисяч годин). Лампі розжарювання потужністю 40 Вт відповідає світлодіодна лампа потужністю 5 Вт, а лампі розжарювання потужністю 75 Вт – світлодіодна лампа потужністю 10 Вт [2].

Підводячи підсумки, бачимо, що існують великі перспективи енергозбереження за рахунок освітлення. Крім заміни застарілих ламп розжарювання на сучасні компактні люмінесцентні або світлодіодні, перспективним є установка датчиків руху для ввімкнення/відключення освітлення в коридорах та зовнішнього освітлення корпусів.

2. Використання автоматизованої системи обліку електроенергії

Оскільки в навчальних корпусах устаткування, яке споживає реактивну енергію, має дуже невеликий час ввімкнення (коефіцієнт ввімкнення), доцільним може бути установка лічильників, які окремо враховують активну і реактивну енергію. Це допоможе знизити витрати на оплату електроенергії та уникнути додаткових капіталовкладень на компенсуючі пристрої.

Основними недоліками традиційної системи обліку електроенергії є:

  1. Фіксація тільки підсумкових результатів вимірювань за розрахунковий період.
  2. Облік тільки на межі розділу з постачальником енергоресурсів, і тому відсутність можливості оцінити розподіл енерговитрат всередині підприємства.
  3. Невисока точність і достовірність (застарілі засоби і методи обліку, помилка при списуванні показань, неодночасне знімання інформації з безлічі територіально розподілених приладів, що враховують один вид енергоносія), низька інформативність і значна трудомісткість в силу ручного збору та обробки інформації [4].

Облік електроенергії можна розділити на комерційний і технічний. При комерційному обліку використовуються більш точні лічильники, а показники передаються в енергопостачальну компанію. При технічному обліку дані лічильників використовуються лише в межах навчального закладу, що дозволяє використовувати лічильники з нижчим класом точності [5].

Крім простоти і точності, системи автоматизованого обліку електроенергії дозволяють зберігати зібрані свідчення в базах даних. Це відкриває можливості для тривалого спостереження за процесом споживання електроенергії та аналізу даних для більш якісного впровадження енергозберігаючих технологій з метою оптимізації роботи електричних мереж багатоповерхових навчальних корпусів.

Доцільність використання інтелектуальних лічильників для комерційного і технічного обліку електроенергії вирішується на підставі техніко-економічного розрахунку.

3. Компенсація реактивної потужності

3.1 Основні положення


Всі процеси в електричних системах можна охарактеризувати трьома параметрами: напругою U, струмом I і активною потужністю P. Але для зручності розрахунків і обліку застосовують і інші параметри, в тому числі реактивну потужність Q. Реактивна потужність йде на створення магнітного та електричного полів. Індуктивне навантаження розглядається як споживач реактивної потужності, а ємність – як її генератор.

Для характеристики потужності кола змінного струму потрібен додатковий показник, що відображає зрушення фаз струму і напруги – кут φ (рис. 2, а).


Зміна струму і напруги в колі змінного струму (а) і трикутник потужностей (б)

Рисунок 2 – Зміна струму і напруги в колі змінного струму (а) і трикутник потужностей (б)

Реактивна потужність, що споживається трифазним силовим трансформатором, витрачається, як і в АД, на намагнічування магнітопроводу трансформатора (QТ.0) і на створення полів розсіяння (QТ.Р).


Еквівалентна схема системи електропостачання і зміна кута φ і напруги у вузлах А, Б, В, Г, Д

Рисунок 3 – Еквівалентна схема системи електропостачання і зміна кута φ і напруги у вузлах А, Б, В, Г, Д

Споживання трансформатором реактивної потужності на намагнічування в кілька разів менше, ніж АД, через відсутність повітряного зазору в трансформаторі. Але за рахунок того, що число трансформацій напруги в системі електропостачання досягає 3–4 і має тенденцію до зростання до 5–6, сумарна номінальна потужність трансформаторів у багато разів більше, ніж АД. Тому втрати реактивної потужності в АД і в трансформаторах в такій системі співмірні.

З усієї реактивної енергії, що споживається трансформаторами, близько 80 % витрачається на намагнічування [6].

Передача значної реактивної потужності в системі електропостачання призводить до додаткових втрат напруги, активної потужності і завантаження ліній реактивною потужністю.

Зі сказаного випливає, що технічно і економічно доцільно передбачати додаткові заходи щодо зменшення передачі реактивної потужності, які можна розділити на дві групи:

Прикладом КП може бути конденсаторна батарея, що підключається паралельно активно-індуктивному навантаженню, наприклад асинхронному двигуну. Принцип такого КП пояснює рис. 4. Підключення конденсатора C зменшує кут зсуву фаз між струмом і напругою навантаження і відповідно підвищує коефіцієнт потужності навантаження. Струм, що споживається з мережі, знижується з с I1, до I2.

Схема заміщення кола лінія-приймач електроенергії при паралельному підключенні конденсатора (а) і векторна діаграма (б).

Рисунок 4 – Схема заміщення кола лінія-приймач електроенергії при паралельному підключенні конденсатора (а) і векторна діаграма (б).

Основний недолік ємнісних КП полягає в тому, що при зниженні напруги в мережі вони знижують видачу реактивної потужності пропорційно квадрату зниження напруги, в той час як потрібно її підвищення. Регулювання потужності БК здійснюється тільки ступенями, а не плавно і вимагає встановлення дорогої комутаційної апаратури.

Синхронні машини можуть генерувати і споживати реактивну потужність, тобто впливати на електричну мережу тотожно ємнісному і індуктивному навантаженням. При перезбудженні синхронної машини генерується реактивна складова струму статора, значення якої зростає при збільшенні струму збудження. Перезбуджена синхронна машина генерує випереджаючий струм, подібно конденсатору.

Синхронні компенсатори (СК) – це синхронні електричні машини, які працюють в режимі двигуна без навантаження на валу. Вони призначені спеціально для вироблення реактивної потужності. Питома вартість генеруємої потужності, грн./квар, і питомі втрати, кВт/Мвар, для СК значно більше, ніж для СД, так як питомі вартість і втрати цілком припадають на реактивну потужність; крім того, додаються витрати на експлуатацію СК. При великому дефіциті реактивної потужності в точці підключення споживачів, коли потрібний плавний і швидкодіючий засіб регулювання напруги, виявляється вигідним введення СК. При наявності різкозмінного реактивного навантаження зона використання СК розширюється.

До недоліків СК відносяться:

3.2 Компенсація реактивної потужності в багатоповерхових корпусах


У багатоповерхових корпусах навчальних закладів є обладнання, яке споживає реактивну енергію. До такого обладнання можуть відноситися двигуни лабораторій і ліфтових установок, інше лабораторне обладнання. У мережі з'являються стрибки напруги, зрушення фаз струму і напруги, потоки реактивної енергії. Все це призводить до збільшення витрат на електроенергію, а також до погіршення якості електроенергії, що негативно відображається на роботі іншого обладнання.

Згідно [5] враховується активна і реактивна електроенергія, що отримується споживачем від енергопостачальної компанії.

Необхідно визначити джерела реактивної потужності і для вирішення зазначених вище проблем застосувати нерегульовані або ступенево-регульовані конденсаторні батареї (КБ).

У багатоповерхових корпусах, які мають дуже розгалужену електричну мережу, ключовим є питання про оптимальний місці установки компенсуючи пристроїв.

Однозначним рішенням проблеми могло б бути додаткове встановлення конденсаторів на кожному електроприймачі, який споживає реактивну енергію. Однак цю схему на практиці використовувати важко, оскільки потрібно багато конденсаторів різної потужності, а це – великі капіталовкладення.

Іншим рішенням є встановлення КБ на шинах 0,4 кВ ТП, що живить навчальний корпус. Встановлення КБ в міських ТП і їх експлуатація не становить істотних труднощів, але може мати менший економічний ефект і не вирішує проблему наявності потоків реактивної потужності в складній електричній мережі багатоповерхового будинку.

Найбільш вигідною з точки зору теорії є змішана схема, коли реактивна потужність найбільш потужних приймачів компенсується за допомогою індивідуальних компенсаторів, а залишок реактивної енергії – за допомогою автоматичних конденсаторних установок, підключених на вводі корпусу або на шинах живлення в ТП [6].

На вибір схеми компенсації впливає схема електричної мережі будинку.

При радіальній схемі зручно застосовувати схему загальної компенсації реактивної енергії. При відносно невеликій довжині ліній і розподіленому навантаженні, установка КБ на шинах ТП 0,4 кВ дозволяє розвантажити живлячу мережу і трансформатори.

При магістральної схемі живлення можна застосувати змішану або індивідуальну схему компенсації, яка знизить струми в магістральному кабелі (струмопроводі) [8].

Доцільність встановлення компенсуючих пристроїв, а також схеми їх підключення вирішується на підставі техніко-економічного розрахунку.

4. Використання альтернативних джерел електроенергії

Основними і найпоширенішими на сьогоднішній день альтернативними джерелами електроенергії є енергія вітру і Сонця.

Вітрогенератор – пристрій, призначений для перетворення кінетичної енергії вітру в електричну енергію. Необхідною вимогою для стабільної роботи вітряної установки є високий рівень вітру.

Недоліком є дискретність енергетичних потоків – періодичність надходження та змінність енергетичного потенціалу. Нестабільність вітрового потоку призводить як до зниження кількості генеруємої електроенергії, так і до зниження терміну служби із-за зносу гальмівної системи. Сучасні технології та обладнання, а також прийоми раціонального використання вітроустановок фактично ліквідували перешкоди щодо їх широкомасштабного впровадження [9].

Сонячна батарея – кілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів (фотоелементів) – напівпровідникових пристроїв, що прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм.

Сила струму в сонячному елементі буде змінюватися пропорційно кількості захоплених поверхнею фотоелемента фотонів. Цей показник, у свою чергу, також буде залежати від безлічі додаткових чинників – це інтенсивність світлового випромінювання, площа, яку займає фотоелемент, час експлуатації, ККД пристрою, який залежить від температури (при її підвищенні провідність фотоелемента значно падає) [10].

Потужність потоку сонячного випромінювання на відстані 150 млн. км від Сонця, без урахування втрат в атмосфері Землі, складає близько 1350 Вт (в південних областях України) і 1300 Вт (у східних) на квадратний метр. У той же час, питома потужність сонячного випромінювання в дуже хмарну погоду навіть вдень може бути меншою за 100 Вт/м2. Задопомогою найбільш розповсюджених сонячних батарей можна перетворити цю енергію в електроенергію з ефективністю 9–24 %. При цьому ціна батареї складе близько 8–24 грн. за Вт номінальної потужності. При промисловій генерації електроенергії за допомогою фотоелементів ціна за кВтгод складе 2 грн.

Відомо, що в окремих лабораторіях отримані сонячні елементи з ефективністю 43 %. У 2012 році очікується надходження на ринок сонячних елементів з ефективністю 39 % [11].

Альтернативні джерела енергії не здатні видавати надвеликі потужності (займаючи при цьому малі площі для своєї роботи), вони не можуть працювати в безперервному режимі, для підтримки необхідних і постійних значень (стабілізації) основних параметрів: сили струму і напруги – необхідно використання додаткових пристроїв (стабілізатори, акумулятори). Але в якості додаткового джерела електричної енергії в багатоповерхових навчальних корпусах, вони повністю підійдуть.

Перелік посилань

  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.