Разработка системы автоматизированного управления наружным освещением с альтернативным источником питания

Содержание

Введение……………………………………………………………..
1 Общие сведения о современном состоянии систем автоматизации
управления наружным освещением с альтернативным источником
питания……………………………………………………………………
1.1 Анализ о современном состоянии систем автоматизации управ-
ления наружным освещение……………………….…………………
1.2 Общие сведения об альтернативных источниках энергии …
1.3 Применение автоматизированных систем управления наружным
освещением……………………………………………………………
1.4 Постановка задачи……………………………………………………
2 Разработка системы управления наружным освещением с альтерна-
тивным источником питания…………..………………………………
2.1 Структурная схема автоматизированной системы управления
наружным освещением с альтернативным источником питания…
2.2 Обоснование выбора оборудования…….…….…….……………..
2.3 Разработка программы для микроконтроллера……..……………..
2.4 Разработка программы для солнечных батарей……………………
2.5 Разработка визуализации SCADA-системы в графической среде
Borland Delphi…………………………………………………………
3 Оценка затрат на автоматизацию управления наружным освещением
с альтернативным источником питания……………………………….
3.1 Описание работы и обоснование необходимости системы автома-
тизации управления наружным освещением………………………
3.2 Расчет суммарных эксплуатационных затрат для первого вариан-
та АСУТП……………..……………..………………………………..
3.3 Расчет суммарных эксплуатационных затрат для второго варианта
АСУТП……………..……………..……………..……………………..
4 Безопасность жизнедеятельности……………..…………....................
4.1 Анализ условий труда и возможные влияния на человека опасных
производственных факторов…………………………………………
4.2 Назначение и основные технические данные……………………..
4.3 Расчет защитного зануления……………..………………………….
4.4 Расчет освещения……………..……………………………………..
Заключение……………..………………………………………………….
Список сокращений…..……………………………………………………
Список литературы……..………………………………………………….
Приложение А Код-программы CodeVisionAVR …..……………………
Анализ о современном состоянии систем автоматизации
управления наружным освещение
В Казахстане, где население составляет 16 миллионов человек, потреб-
ление электроэнергии на душу населения превосходит приблизительно в два
раза аналогичный показатель любой другой страны в Центральной Азии и в
3.5 раза по сравнению с другими развивающимися странами мира. В 2013 го-
ду потребление электроэнергии в Казахстане составило порядка 78 ТВт-ч;
ожидается, что к 2015 году этот показатель будет стремительно расти и до-
стигнет 36%. Потребление электроэнергии в зданиях составляет 22% от обще-
го энергопотребления в стране, при этом, на коммунальный сектор приходит-
ся 9.3 % от общего уровня потребления, на сектор услуг – порядка 8%, а госу-
дарственный сектор – порядка 5 %. Порядка трех четвертей электроэнергии в
Казахстане вырабатываются на электростанциях, работающих на угле, и теп-
лоэлектростанциях, как и в других странах, на системы освещения в зданиях
приходится основная доля потребления электроэнергии в Казахстане. Как по-
казано в таблице 1.1, потребление электроэнергии системами освещения со-
ставляет порядка 13 % от общего уровня потребления по стране или около 10
ТВт-ч в год.

Таблица 1.1- Энергопотребление на нужды освещения в Казахстане (2013)
1.1.1 Рынки систем освещения в Казахстане
Рынок систем освещения в Казахстане был создан во времена Советско-
го Союза. После распада Советского Союза, независимый Казахстан оказался
лишенным отечественного производства осветительной продукции. По мере
развития рынка в страну стали поступать импортные осветительные системы.
Некоторые новые участники рынка из числа иностранных компаний, включая
Philips, OSRAM и General Electric (GE), поставляли товары и услуги, качество
которых превышало качество имевшихся на рынке товаров и услуг. По состо-
янию на февраль 2011 г импорт продолжает составлять основную долю осве-
тительной продукции на рынке страны.
В Казахстане неэффективные лампы накаливания (ЛН) составляют по-
рядка 77 % используемых в здании и улиц средств освещения. В 2009 году
годовой рынок ЛН в Казахстане насчитывал порядка 75.7 миллионов единиц,
составляя около 10.3 миллионов долларов США. На долю люминесцентных
ламп приходится порядка 17 % рынка, и в 2011 году продажи составили 16.7
миллионов единиц. В настоящее время в Казахстане предложение на рынке
энергоэффективного освещения относительно низкое и составляет лишь около
3 %. Тем не менее, спрос на него возрастает. За период с 2008 по 2012 годы
импорт энергоэффективных ламп вырос на 53 %, несмотря на общий спад на
рынке освещения, составивший 14 %. Большая часть энергоэффективных
ламп (порядка 70 %) производится в Китае. В основном, эти лампы представ-
лены компактными люминесцентными лампами (КЛЛ) и светоизлучающими
диодами (СИД), которые только импортируются, имеют намного более высо-
кую цену и менее распространены (см. рисунок 1.1).
Источники освещения, используемые в Казахстане (единиц) 2012

Лампы
накаливания:
75 682 734;
77%
Флуоресцентные
лампы;
16 733 750;
17%

Ртутные
лампы;
1 315 437;
1%
Натриевые лампы;
382 510; 1%
Галогеновые

Галоидные лампы;
26 284;
0%

КФЛ;
2 186 492;
2%

лампы;
2 279 401;
2%

Рисунок 1.1- Источники освещения, используемые в Казахстане за 2011 год
В Казахстане успешное и широкое применение энергоэффективного
освещения затруднено из-за существования разного рода барьеров, таких как:
1) отсутствие автоматизированных систем управления наружным осве-
щением. Состояние наружного освещения городов и поселков в Казахстане не
соответствует современным требованиям. Уровни освещенности и качество
освещения, как правило, хуже нормируемых, состояние уровней освещенно-
сти из-за отсутствия их систематического обслуживания и дефицита или до-
роговизны многих светотехнических изделий плохое, эффективность исполь-
зования потребляемой электроэнергии крайне мала. Это связано, прежде все-
го, с отсутствием или неудовлетворительным состоянием пускорегулирующей
и управляющей аппаратуры, а также недооценкой роли хорошего освещения.
На сегодняшний день ШАУНО внедряется только в крупных городах;
2) сопротивление потребителя нести высокие первоначальные затраты
на энергоэффективное освещение, включая недостаточные государственные
закупки. Потребитель не желает покупать энергоэффективные системы осве-
щения из-за их высокой первоначальной цены вопреки значительно более
низкой стоимости эксплуатации в течение срока службы. Проблема бедности
усиливает и усугубляет это сопротивление, особенно в сельских районах Ка-
захстана, где проживает около половины населения страны. Эта проблема
особенно ощутима в рамках программ государственных закупок. Закупки гос-
ударственных организаций и других крупных институтов регулируются Зако-
ном РК “О государственных закупках”. Деятельность государственных орга-
низаций, государственных институтов и предприятий, в которых государство
имеет контролирующую долю участия, регулируется положениями о государ-
ственных закупках. Исключение составляют отдельные национальные хол-
динговые компании. Эти положения основаны на принципах минимизации за-
трат, добросовестной конкуренции, прозрачности и поддержки местных по-
ставщиков. Таким образом, более эффективные и дорогостоящие осветитель-
ные технологии проигрывают на закупочных торгах;
3) отсутствие контроля качества над энергоэффективным освещением.
Энергоэффективная осветительная продукция низкого качества создает пре-
валирующее представление о ненадежной работе товаров данного сектора.
Наблюдатели отмечают частые случаи отказов КЛЛ китайского производства
в течение первого года эксплуатации, которые исключают предполагаемые
преимущества энергосбережения в течение жизненного цикла продукции и
избежание затрат. Государственные процедуры испытания и сертификации
продукции недостаточно совершенные. Продукция низкого качества, имею-
щая сомнительную сертификацию, присутствует как на легальных рынках, так
и на большом черном рынке страны.
1.2 Общие сведения об альтернативных источниках энергии
Мировой спрос на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) постоянно
растет. К 2050 году увеличение их доли в глобальном энергетическом балансе
прогнозируется до 35%. Практически во всех развитых странах сегодня разра-
батываются и реализуются программы, связанные с альтернативной энергети-
кой. Основные преимущества ВИЭ – неисчерпаемость и экологичность – и
послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубе-
жом и весьма оптимистических прогнозов относительно ее перспектив в бли-
жайшие десятилетия.
Главными причинами, обусловившими развитие ВИЭ, выступают обес-
печение энергетической и экологической безопасности, сохранение окружа-
ющей среды, завоевание мировых рынков возобновляемых источников энер-
гии, сохранение запасов собственных энергоресурсов для будущих поколе-
ний, а также увеличение потребления сырья для неэнергетического использо-
вания топлива.
Сегодня использование ВИЭ стало важным и обязательным направле-
нием развития энергетики будущего. И Казахстан в этом плане обладает все-
ми необходимыми ресурсами. А с учетом дефицита электроэнергии в стране,
особенно в южных регионах, более широкое применение альтернативных ис-
точников приобретает особое значение. Неэффективность централизации
электроснабжения в условиях огромной территории Казахстана, занимающей
2,7 млн кв. км, и низкой плотности населения (5,5 чел/кв. км) приводит к су-
щественным потерям энергии при ее транспортировке. Поэтому использова-
ние ВИЭ позволит снизить затраты на обеспечение электроэнергией отдален-
ных населенных пунктов, значительно сэкономить на строительстве новых
линий электропередачи. Проведем анализ существующих видов ВИЭ (см.
таблицу 1.2).

Таблица 1.2- Анализ существующих видов ВИЭ
1.2.1 Назначение и принцип работы солнечных батарей
Солнечная батарея представляет собой систему фотоэлектрических
преобразователей, объединённых между собой.С фотоэлементов
вырабатывается постоянный электрический ток, преобразованный из
солнечной энергии. Преобразование энергии в фотоэлектрическом
преобразователь основано на фотовольтаическом эффекте (фотоэффекте),
который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при
воздействии на них солнечного излучения.
Солнечные модули конструируются для зарядки аккумуляторных бата-
рей с номинальным напряжением 12В. Мощность модулей солнечной батареи
может достигать 10-300Вт. Электрические параметры таких модулей отража-
ются в вольтамперной характеристике, определенной при стандартных усло-
виях (т.е. когда мощность солнечной радиации равняется 1000 Вт/м2, темпера-
тура элементов - 25°С и солнечный спектр - на широте 45°) (см. рисунок 1.2).
Точка пересечения кривой с осью напряжения называется напряжением холо-
стого хода Uхх , а с осью тока - током короткого замыкания Iк.з. На этом же
графике приведена кривая мощности, получаемой от солнечных элементов в
зависимости от нагрузки. Номинальная мощность модуля определяется как
наибольшая мощность при стандартных условиях. Значение напряжения, со-
ответствующее максимальной мощности именуется рабочим напряжением
Uр, а соответствующий ток - рабочим током Iр . Значение рабочего напряже-
ния для модуля, состоящего из 36 элементов примерно равно 16-17В (0,45-
0,47 В/элемент) при 25°С. Такой запас по напряжению нужен для того, чтобы
компенсировать уменьшение рабочего напряжения при разогреве модуля сол-
нечным излучением. Температурный коэффициент напряжения холостого хо-
да для кремния составляет - минус 0,4%/градус. Температурный коэффициент
тока - плюс 0,07 %/градус. Напряжение холостого хода солнечного модуля
мало меняется при изменении освещенности, в то время как ток короткого за-
мыкания прямо пропорционален. КПД солнечного модуля определяется как
отношение максимальной мощности модуля к общей мощности излучения,
падающей на его поверхность при стандартных условиях, и составляет 15-
40%.
Рисунок 1.2-Вольтамперная характеристика солнечных батарей
С целью получения требуемой мощности и рабочего напряжения моду-
ли соединяют последовательно или параллельно. Мощность солнечной бата-
реи всегда ниже, чем сумма мощностей модулей - из-за потерь, обусловлен-
ных различием в характеристиках однотипных модулей (потерь на рассогла-
сование). Чем тщательнее подобраны модули в батарее (то есть, чем меньше
различие в характеристиках модулей), тем ниже потери на рассогласование. К
примеру, при последовательном соединении десяти модулей с разбросом ха-
рактеристик 10% потери составляют примерно 6%, а при разбросе 5% - сни-
жаются до 2%.
В случаи затенения одного модуля, или части элементов в модуле, в
солнечной батарее при последовательном соединении появляется "эффект го-
рячего пятна" - затененный модуль (или элемент) начинает рассеивать всю
производимую освещенными модулями (или элементами) мощность, стреми-
тельно нагревается и выходит из строя. Для устранения этого эффекта парал-
лельно с каждым модулем (или его частью) устанавливают шунтирующий ди-
од. Диод нужен при последовательном соединении более двух модулей. К
каждой линейке (последовательно соединенных модулей) также подключается
блокирующий диод для выравнивания напряжений линеек. Все эти диоды как
правило размещаются в соединительной коробке самого модуля. Схема па-
раллельного и последовательного соединения солнечных модулей приведена
на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3- Схемы параллельного и последовательного
соединения солнечных модулей

Вольтамперная кривая солнечной батареи имеет тот же вид, что и еди-
ничного модуля. Рабочая точка батареи, подключенной к нагрузке, не всегда
совпадает с точкой максимальной мощности (тем более что положение по-
следней зависит от условий освещенности и температуры окружающей сре-
ды). Подключение таких нагрузок, как, например, электродвигатель, может
сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной или даже нулевой
мощности (и двигатель просто не запустится). Вследствие этого следующий
важный компонент солнечной батареи - преобразователи напряжения, спо-
собные согласовывать солнечную батарею с нагрузкой. Общая схема солнеч-
Рисунок 1.4 - Схема автономной солнечной электростанции
1.2.2 Аккумуляторные батареи
Аккумулятор (от лат. accumulator — собиратель), устройство для накоп-
ления энергии с целью ее последующего использования. Электрический акку-
мулятор преобразует электрическую энергию в химическую и по мере надоб-
ности обеспечивает обратное преобразование; используют как автономный
источник электроэнергии. Аккумулятор, как электрический прибор, характе-
ризуется следующими основными параметрами: электрохимической систе-
мой, напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением,
током саморазряда и сроком службы. А его состояние оценивается по сово-
купности значений трех его основных характеристик: реальной емкости,
внутреннего сопротивления и тока саморазряда.
В качестве компонента солнечной энергетической установки, аккумуля-
тор выполняет три задачи:
– покрывает пиковую нагрузку, которую не могут покрыть сами фото-
электрические модули (резервный запас);
– дает энергию в ночное время (кратковременное хранение);
– компенсирует периоды плохой погоды или слишком высокого энерго-
потребления (среднесрочное хранение);
Главными условиями по выбору аккумуляторов являются:
– стойкость к циклическому режиму работы;
– способность переносить без последствий глубокий разряд;
– низкий саморазряд аккумулятора;
– некритичность к нарушению условий зарядки и разрядки;
– долговечность;
– простота в обслуживании;
– компактность и герметичность (важный критерий для переносных или
периодически демонтируемых солнечных батарей).....