Русский  English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

З підвищенням вартості електроенергії все частіше доводиться замислюватися над економією фінансових заощаджень. Більшою мірою це стосується навчальних закладів і різних підприємств, тому що вартість електроенергії на підприємствах значно більше, ніж у квартирах або приватних будинках.

Існує безліч різних способів, методів і заходів в економії електроенергії. Головними і необхідними заходами є заміна ламп розжарювання на більш економічні компактні люмінесцентні лампи (КЛЛ), заміна застарілої пускорегулювальної апаратури на більш економічну. Крім цього беззаперечним методом є вмикання світла в необхідний для цього час, і також вимикання, коли світло не потрібне. У цей же час у продажу з'явилися світлодіодні лампи, які допомагають економити ще більше грошей ніж КЛЛ або люмінісцентні лампи (ЛЛ) типу Т5 і Т8, на жаль, вартість занадто велика і є перспективою освітлення майбутнього. Наступним джерелом підвищенням енергоефективності є впровадження різних датчиків освітлення і датчиків присутності. Також досить ефективним енергозберігаючим пристроєм можна вважатиінтелектуальні реле, що дозволяють здійснити заплановані заздалегідь дії, які будуть виконуватися без участі людини досить тривалий час.

Так як практичне енергозбереження переживає в нашій країні період суєти, то метою магістерської роботи є аналіз і оцінка існуючих заходів щодо зниження втрат електроенергії в електричних мережах Донецького національного технічного університету (ДонНТУ).

1. Актуальність енергозбереження

Актуальність енергозбереження та підвищення енергоефективності в останній час є настільки очевидною, що це питання обговорюється як на всіх рівнях державної влади, так і на багатьох підприємствах. Для більшості підприємств, питання енергоефективності, особливо в умовах безперервного зростання вартості енергоресурсів, стає питанням не тільки конкурентної переваги, але і, найчастіше, питанням виживання підприємства. Значна частина витрат на електроенергію припадає на освітлення.

Однак технічна частина більшості підприємств, що виробляють електроенергію, характеризується застарілим і зношеним устаткуванням. Ступінь зносу обладнання в електроенергетиці країни перевищує 50%. Тому питання впровадження енергозберігаючих технологій вкрай актуальне і впровадження цих технологій може виступити джерелом додаткових коштів для енергоозброєння електроенергетики.

2.Огляд заходів з енергозбереження в навчальних корпусах ДонНТУ

Всі заходи можна поділити на дві групи: енергозбереження при освітленні приміщень та енергозбереження в живлячих мережах і електрообладнанні.

Енергозбереження при освітленні приміщень:

  1. Зменшення сфери застосування ламп розжарювання (ЛР) і заміна їх на КЛЛ;
  2. Заміна електромагнітних пускорегулюючих (ПРА) пристроїв у люмінесцентних ламп на електронні;
  3. Заміна ЛР, КЛЛ і ЛЛ на світлодіодні лампи;
  4. Застосування сучасних рефлекторів;
  5. Забарвлення приміщень в більш світлі тони.
  6. Застосування енергозберігаючих світильників на напівпровідникових джерелах світла

Енергозбереження в живлячих мережах і електроустаткуванні:

  1. Установка автоматично регульованих конденсаторних батарей;
  2. Заміна трансформаторів на підстанції на більш потужні і перехід одного з них у "холодний" резерв;
  3. Заміна застарілого обладнання в лабораторіях і установка на їх місце більш економічного;
  4. Оснащення сучасними приладами обліку енергії.

У рамках магістерської роботи планується розглянути більш докладно енергозбереження в освітленні і мережах навчального закладу, отримати економічно обгрунтовані результати про доцільність використання даних заходів з енергозбереження.

3. Енергозбереження при освітленні приміщень

Дбайливе, з найбільшим економічним ефектом витрачання електроенергії на потреби освітлення є однією з важливих задач електроенергетики. Економія електроенергії на освітленні не повинна досягатися за рахунок зниження норм освітленості, відключення частини освітлювальних приладів або відмови від використання штучного освітлення при недостатньому рівні природного світла, оскільки зменшення освітленості призводить до зниження зорової працездатності, погіршенню психофізіологічного стану людей, підвищенню травматизму, зниженню продуктивності праці та якості продукції. Втрати від погіршення умов освітлення значно перевершують вартість зекономленої електроенергії. У зв'язку з цим доцільно використовувати енергоекономічні джерела світла, які за останнє десятиріччя набули широкого поширення.

3.1 Економічний ефект від заміни ЛР на КЛЛ

Поява і бурхливий розвиток в останні роки компактних люмінесцентних ламп (КЛЛ), що мають у 8-10 разів більшу тривалість горіння і в 5 разів більшу світлову віддачу в порівнянні з лампами розжарювання (ЛР), показують необхідність значного розширення застосування цих ламп в найбільш важливих сферах - у житловому секторі, а також у комерційних та суспільно-адміністративних будівлях. КЛЛ малих розмірів, що мають вбудовані в лампу малогабаритні пускорегулюючі апарати та стандартний різьбовий цоколь[1], можуть замінювати безпосередньо в існуючих світильниках ЛН потужністю від 25 до 100 Вт. Застосування таких КЛЛ може бути найбільш ефективним саме в тих видах освітлювальних установок (ОУ), де сьогодні найбільш масовим джерелом світла є ЛР. Порівняльні характеристики КЛЛ і ЛР наведені в таблиці 1[2] .

Таблиця 1 – Порівняльні характеристики КЛЛ и ЛР

ЛР КЛЛ Відношення світлової віддачі КЛЛ до світлової віддачі ЛР, відн. од.
потужність, Вт світловий потік, лм потужність, Вт світловий потік, лм
25 200 5 200 4,3
40 420 7 400 5,3
60 710 11 600 4,5
75 940 15 900 4,7
100 1360 20 1200 4,3
2 х 60 1460 23 1500 5,4

За наявними відомостями про освітлювальне обладнання в навчальному корпусі був проведений розрахунок вартості модернізації освітлювальних установок шляхом заміни ЛР на КЛЛ, і була проведена економічна оцінка даного заходу. При розрахунках були прийняті такі припущення:

  1. Поточний тариф на електроенергію 1 грн./КВт∙год
  2. Лампи експлуатуються 1250 годин у році.
  3. Вартість світильника з ЛР 100 Вт – 2,5 грн.
  4. Вартість світильника з КЛЛ 20 Вт – 30 грн.
  5. Приймаємо що КЛЛ працюють 3000 год, тому що після напрацювання цього часу КЛЛ втрачають ≈50% світлового потоку і підлягають заміні.

Таблиця 2 – Економічна оцінка заміни ЛР на КЛЛ з однаковим типом цоколя

Джерело світла ЛР
(встановлені)
КЛЛ
1. Освітлювальна установка (ОУ):
Термін служби, год.: 1000 3000
Кількість світильників, шт. 356 356
Вартість світильників, грн. Встановлені
Кількість ламп, шт. 356 356
Вартість ламп, грн. 890 10680
Вартість системи керування, грн. - 0
Вартість монтажу (грн./світильник), грн. - 0
Загальна вартість установки, грн. 890 10680
2. Обслуговування ОУ:
Кількість ламп, замінених за 3000 годин роботи, шт. 1068 0
Вартість заміни ламп, грн. 0 0
Витрати на заміну ламп (що вийшли з ладу), грн. 2670 0
Загальна вартість обслуговування, грн. 2670 0
3. Електроспоживання ОУ:
Потужність, споживана ОУ, кВт 35,6 7,12
Електроенергія, споживана ОУ за 3000год, кВт∙год 106800 21360
Загальні витрати на електроенергію, грн. 106800 21360
4. Загальна вартість використання ОУ: 110360 32040
Економія витрат на електроенергію, % 0 71
Річні експлуатаційні витрати, грн. 45983,3 13350
Річна економія, грн./рік - 32633,3
Окупність, років - 0,41
5. Результати модернізації ОУ:
Річне споживання електроенергії, кВт∙год 44500 8900
Річне зниження споживання електроенергії, кВт∙год - 35600

Таким чином, річне зниження споживання електроенергії в навчальному корпусі складе 35600 кВт – це 71% економія. Даний захід окупиться за 5 місяців.

3.2 Модернізація освітлювальної установки шляхом заміни електромагнітних пускорегулюючих апаратів на електронні

Багато підприємств досі використовують люмінісцентні лампи типу Т5 і Т8, тому заміна електромагнітних ПРА на електронні ПРА затребувана не менш ніж заміна ЛН на КЛЛ.

Всі газорозрядні лампи мають падаючу вольтамперних характеристику і напруга запалювання цих ламп, як правило, вище напруги мережі. Тому для включення всіх газорозрядних ламп (крім "інтегрованих" компактних люмінесцентних ламп) потрібна спеціальна апаратура, що забезпечує запалювання і стабілізацію струму через лампу (ПРА).

Зараз випускається досить широкий асортимент компактних люмінесцентних ламп, в яких апаратура вмикання об'єднана з лампою в загальну конструкцію, тому застосування окремих апаратів не потрібно. У всіх інших випадках потрібні окремі баластні опори, стабілізуючі струм розряду, і пристрої для запалювання розряду[3].

ПРА в загальному випадку містить три компоненти: запалюючий пристрій, пристрій стабілізації струму лампи і пристрій, що забезпечує електромагнітну сумісність джерела світла і електричної мережі.

Стабілізація струму розрядних ламп всіх типів забезпечується за рахунок включення послідовно з лампою струмообмежуючих елементів. У струмообмежуючих елементах неминуче втрачається деяка потужність, не виробляючи корисної дії. Тому такі елементи є марним, непотрібним навантаженням – баластом.

Загалом, в якості баласту можуть використовуватися будь-які активні, індуктивні або ємнісні опору. Але на практиці застосовуються тільки індуктивні і лише в спеціальних ртутно-вольфрамових лампах – активні у вигляді нитки розжарювання. В якості індуктивних опорів завжди використовуються спеціальні електромагнітні апарати, які називаються дроселями або електромагнітними баластами.

В останні роки одержали дуже широке поширення електронні апарати включення люмінесцентних і малопотужних металогалогенних і натрієвих ламп. У таких апаратах поєднані всі три функції – запалювання, стабілізації струму та електромагнітної сумісності.

Для забезпечення електромагнітної сумісності ламп з електричною мережею в більшості випадків використовуються конденсатори, що вмикаются прямо на напруга мережі паралельно із світильником.

Баласт в ПРА для люмінесцентних ламп - дроселі або сукупність дроселів і конденсаторів.

У кращих дроселях для ламп потужністю 36 Вт втрачається близько 6 Вт (приблизно 15% потужності лампи); у малопотужних ламп (4-11 Вт) втрати потужності в дроселях можуть бути рівні потужності самих ламп. Тому світлова віддача ламп в реальних світильниках завжди нижче тієї, яка вказується в документації. У таблиці 3 наведені дані про втрати потужності в дроселях[4].

Таблиця 3 – Втрати потужності в дроселях

Клас дроселя Втрати потужності, Вт
З лампою 18 Вт З лампою 36 Вт З лампою 58 Вт
D 12 10 14
С 10 9 12
В2 8 7 9
В1 6 6 8

Дроселі створюють ще один неприємний момент - зрушення фаз між струмом і напругою. Напруга в електромережах має синусоїдальну форму. Якщо в лампах розжарювання струм завжди збігається по фазі з напругою і точно повторює його форму, то в будь-якому дросселе струм відстає від напруги на якусь частку періоду, яка вимірюється в градусах. Якщо повний період дорівнює 360°, то "чистий" дросель викликає відставання струму від напруги рівно на чверть періоду або на 90°. У сукупності з лампою цей "зсув по фазі" завжди менше 90° і залежить від якості самого дроселя.

На етикетках дроселів у всіх країнах вказується не кут, на який струм відстає від напруги при включенні дроселя з лампою відповідної потужності, а косинус цього кута – cosφ, який називається також коефіцієнтом потужності.

Багато недоліків люмінесцентних ламп і дроселів усуваються при використанні електронних високочастотних апаратів включення (ЕПРА).

На рисунку 1 показана структурна схема ЕПРА, що містить всі основні вузли: вхідний фільтр придушення високочастотних перешкод 1, випрямляч 2, коректор форми струму, що споживається від мережі 3, керуючий каскад 4, підсилювач потужності 5, вихідний каскад 6.

Cтруктурна схема ЕПРА

Рисунок 1 – Структурна схема електронного апарату вмикання.
(анимація: 7 кадрів, 31 килобайт)

Для придушення високочастотних перешкод, створюваних ЕПРА в електричній мережі, використовуються П-подібні або подвійні П-подібні фільтри з індуктивностей в кілька мГн іємностей до 1000 нф. Як правило, додатково для цієї ж мети включається ємність порядку одиниць нф між одним з живлячих провідників (зазвичай нейтраллю) і заземлюючим проводом. В якості випрямляча може бути використаний будь-який стандартний місток, розрахований на відповідні струми і напруги.

Корекція форми струму, що споживається, здійснюється за допомогою досить потужних транзисторів, керованих спеціальними пристроями. Для цього розроблені і серійно випускаються інтегральні мікросхеми, які відстежують форму струму.

Реально в електронних апаратах вмикання частота напруги на виході підсилювача потужності 5 близька до резонансної частоти кола з дроселя і конденсатора. Тому при включенні апарату через електроди лампи протікає струм, достатній для їх розігріву до необхідної температури, а на конденсаторі створюється напруга, необхідна для виникнення розряду в лампі з підігрітими електродами. Після запалювання лампи напруга на ній падає до напруги горіння, а частота напруги перетворювача автоматично змінюється так, щоб через лампу протікав струм заданої величини.

У більшості сучасних апаратів блок керування 4 виконує ще дві функції: стабілізацію струму лампи при коливаннях напруги і корекцію коефіцієнта потужності. Для кращих сучасних апаратів коефіцієнт потужності близький до 1 (0,95 - 0,99).

Функції виправлення форми споживаного струму ("придушення вищих гармонік") зазвичай виконує вхідний фільтр 1. Придушення вищих гармонік і корекція форми споживаного струму забезпечують електромагнітну сумісність апарату з мережею живлення.

У деяких апаратах блок керування 4 виконує ще одну функцію – забезпечує регулювання світлового потоку ламп, найчастіше за рахунок зміни частоти напруги перетворювача.

Принципова відмінність електронних схем ввімкнення люмінесцентних ламп від стартерно-дросельних полягає в тому, що лампи в таких схемах живляться струмом високої частоти, зазвичай 20-40 кГц, замість 50 Гц.

Високочастотне живлення ламп дає такі позитивні результати:

  1. Через особливості високочастотного розряду збільшується світлова віддача ламп. Це збільшення тим більше, чим коротша лампа: у ламп потужністю 36 Вт світлова віддача зростає приблизно на 10%, у ламп потужністю 18 Вт – на 15%;
  2. Глибина пульсацій світлового потоку з частотою 100 Гц зменшується приблизно до 5%;
  3. Зникають звукові перешкоди, створювані дроселями;
  4. Вилучається блимання ламп при включенні;
  5. Виключається необхідність компенсації реактивної потужності (корекції cosφ);
  6. За рахунок виключення блимань при включенні і точного прогріву електродів підвищується термін служби ламп (до півтора разів);
  7. З'явилася можливість регулювання світлового потоку ламп;
  8. Електронні апарати значно легші, ніж дроселі і компенсуючі конденсатори.

Таким чином, ЕПРА усувають більшість недоліків ЛЛ зі стартерно-дросельними схемами вмикання. Але ці апарати мають і свій недолік, що перешкоджає їх повсюдному впровадженню: ціна електронних апаратів вища, ніж дроселів, стартерів і компенсуючих конденсаторів, разом узятих. Проте, в країнах Європейського Союзу частка світильників з електронними апаратами наближається до 50% всіх світильників з ЛЛ. Необхідно відзначити, що люмінесцентні лампи нового покоління в колбах діаметром 16 мм принципово можуть працювати тільки з електронними апаратами. Ця обставина дає додаткові переваги світильникам з такими ПРА.

Крім забезпечення найбільш комфортного освітлення, ЕПРА дозволяють створювати і системи автоматичного управління освітленістю, що дають економію електроенергії до 75 %[5] .

Таблиця 4 – Зміна світлової віддачі комплекту лампа + ПРА з різними типами ПРА

Потужність
лампи,
Вт
Стандартні електромагнітні ПРА Електронні ПРА (ЕПРА)
Сумарна потужність комплекту, Вт Світловий потік,
 лм
Світлова віддача з комплекту Сумарна потужність комплекту, Вт Світловий потік,
 лм
Світлова віддача з комплекту
лм/Вт % лм/Вт %
18 29 1450 50,0 100 19 1350 71,0 142
2 х 18 23 1450 63,0 100 18 1400 77,7 123
36 46 3450 75,0 100 36 3350 93,0 124
58 71 5400 76,0 100 55 5200 94,5 124

На основі наявних відомостей про освітлювальне обладнання було проведено розрахунок вартості модернізації освітлювальної установки заміною електромагнітних ПРА на електронні в досліджуваному навчальному корпусі, і була проведена економічна оцінка даного заходу (дивися таблицю 5)[6].

Для проведення розрахунків були прийняті такі припущення:

  1. Поточний тариф на електроенергію 1 грн./КВт∙год
  2. Лампи експлуатуються 1250 годин у році.
  3. Вартість світильника з 1-ю лампою (EBFL 1х36 COMTECH) - 45 грн.
  4. Вартість світильника з 2-ма лампами (ЕПРА EBFL 2х36 COMTECH) - 80 грн.

Таблиця 5 - Економічна оцінка заміни електромагнітних ПРА на електронні

Світильники з ЛЛ
1-лампові 2-лампові
Кількість, шт. 335 164
Потужність, Вт 36 72
Коефіцієнт втрат у ЕМПРА 1,25
Витрати електроенергії в світильниках з ЕМПРА, кВт∙год/рік 18844 18450
Коефіцієнт втрат у ЕПРА 1,05
Витрати електроенергії у світильниках з ЕПРА, кВт∙год/рік 15828 15498
Зниження споживання електроенергії світильниками с ЛЛ при заміні ПРА, кВт∙год/рік 3016 2952
Річна економія електроенергії, кВт∙год 5968
Вартість економії електроенергії, грн. 5968
Вартість ЕПРА, грн. 45 80
Витрати на закупівлю ЕПРА, грн. 28195
Вартість заміни ЕПРА, грн. 0
Термін окупності, років 4,7
Витрати на захід в цілому, грн. 28195

Таким чином, річне зниження споживання електроенергії внавчальному корпусі складе 5968 кВт. Захід окупиться через 4,7 року.

3.3 Енергозберігаючі світильники на напівпровідникових джерелах світла

Світлодіоди є напівпровідниковими приладами, що перетворюють електричний струм безпосередньо в світлове випромінювання, при цьому вони характеризуються низьким енергоспоживанням, а отже, володіють хорошим потенціалом в галузі енергозбереження.

До теперішнього часу однією з суттєвих перешкод на шляху масового впровадження світлодіодів в освітленні була їх висока вартість у порівнянні з традиційними джерелами світла, тому вони і використовувалися переважно в декоративному освітленні будівель і підсвічуванні рекламних вивісок. Однак, поступове здешевлення та підвищення технічних характеристик світлодіодних виробів, а також необхідність зниження енергоспоживання, дозволяють вже сьогодні застосовувати ці енергозберігаючі технології[7].

Розглянемо основні відмінності нової - світлодіодної технології освітлення від лампової::

  1. Світлодіодний світильник створює освітленість з вищою контрастністю, що покращує якість освітлення об'єкта;
  2. Екологічно чисті і не вимагають спеціальних умов з обслуговування та утилізації;
  3. Термін їх служби значно перевищує існуючі аналоги (термін роботи світильника не менше 30 тис. годин);
  4. Регулювання освітленості зниженням напруги живлення;
  5. Відсутність пульсації світлового потоку.

Взявши дані щодо кількості ЛР у навчальному корпусі з пункту 3.1, проведемо економічний розрахунок і оцінку доцільності застосування світлодіодних світильників замість ЛР, розрахунок зведемо в таблицю 6 [8] .

Таблиця 6 – Економічна оцінка заміни ЛР на світлодіодні світильники з однаковим типом цоколя

Джерело світла ЛР
(встановленні)
світлодіодні лампи
1. Освітлювальна установка (ОУ):
Термін служби, год.: 1000 25000-40000
Кількість світильників, шт. 356 356
Вартість світильників, грн. Встановленні
Кількість ламп, шт. 356 356
Вартість ламп, грн. 890 15138
Вартість системи управління, грн. - 0
Вартість монтажу (грн./світильник), грн. - 0
Загальна вартість установки, грн. 890 10680
2. Обслуговування ОУ:
Кількість ламп, замінених за 3000 годин роботи, шт. 1068 0
Вартість заміни ламп, грн. 0 0
Витрати на заміну ламп (які вийшли з ладу), грн. 2670 0
Загальна вартість обслуговування, грн. 2670 0
3. Електроспоживання ОУ:
Потужність,що споживається ОУ, кВт 35,6 2,67
Електроенергія, споживана ОУ за 3000 год, кВт/год 106800 8010
Загальні витрати на електроенергію, грн. 106800 8010
4. Загальна вартість використання ОУ: 110360 23148
Економія витрат на електроенергію, % 0 79
Річні експлуатаційні витрати, грн. 45983,3 4094,4
Річна економія, грн./рік - 41888,6
Окупність, років - 0,37
5. Результати модернізації ОУ:
Річне споживання електроенергії, кВт∙год 44500 3337,5
Річне зниження споживання електроенергії, кВт∙год - 41162,5

З розрахунків видно, що річне зниження споживання електроенергіїскладе 41162 кВт - це 79% економія. Даний захід окупиться приблизно за 5 місяців. Однак, хоч і окупаємість КЛЛ і світлодіодних ламп майже однакова, але термін служби світлодіодних ламп в ≈10 разів більше.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Айзенберг Ю.Б. Энергосбережение в светотехнических установках / Ю.Б. Айзенберг, Н.В. Рожкова / Под общей ред. Ю.Б. Айзенберга. – М.:Дом света, 1999. – 23с.
  2. Козловская, В Б. Электрическое освещение: справочник / В. Б. Козловская, В.Н. Радкевич, В.Н. Сацукевич. - Минск : Техноперспектива, 2007. – 255 с.
  3. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Знак, 2006. – 972 с.: ил.
  4. ГОСТ 24940-96. Здания и сооружения. Методы измерения освещенности. – М.: Изд-во стандартов, 1996.
  5. Энергосбережение в системе образования: Сборник научно-практических и методических материалов / Под общей ред. Г.А. Балыхина. – М.: Амипресс, 2000. – 143 с.
  6. Кнорринг, Г.М. Светотехнические расчеты в установках искусственного освещения / Г М. Кнорринг. – Л.: Энергия, 1973. – 200 с.
  7. Кунгс, Я.А. Автоматизация управления электрическим освещением / Я.А. Кунгс. - М.: Энергоатомиздат, 1989. – 112 с.: ил.
  8. Баев, В.И. Практикум по электрическому освещению и облучению / В.И. Баев. – М.: КолосС, 2008. – 191 с.: ил.