Электрификация и автоматизация технологических процессов в доме усадебного типа с использованием возобновляемых источников электроэнергии, а именно - солнечных батарей, в условиях Южного Урала

Электрификация и автоматизация технологических процессов в доме усадебного типа с использованием возобновляемых источников электроэнергии, а именно - солнечных батарей, в условиях Южного Урала

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Электрификация и автоматизация технологических процессов в доме усадебного типа с использованием возобновляемых источников электроэнергии, а именно - солнечных батарей, в условиях Южного Урала

Реферат

С целью повышения комфортности проживания и благоустройства в доме усадебного типа в дипломной работе были рассмотрены вопросы электрификации и автоматизации технологических процессов, имеющихся в доме.

Дом усадебного типа в селе Долгодеревенское Челябинской области был выбран в качестве экспериментального. Во второй части комплексной дипломной работы для него были рассмотрены процессы освещения и электроснабжения, в т.ч. и от альтернативного источника энергии - от солнечных батарей СБ.

Для выбора осветительной установки был произведен расчет освещения для разных типов ламп: для люминесцентных ламп (ЛЛ), ламп накаливания (ЛН) и светодиодных ламп (СДЛ). Для расчета освещения помещений дома с применением ламп СДЛ была использована программа DiaLux.

Энергию, получаемую от солнечных батарей, предложено использовать для осветительной установки и для электропитания газового котла. На уровне структурной схемы проработана возможность подключения этих потребителей к сети - при отсутствии солнечной радиации.

Произведен выбор оборудования фотоэлектрической станции. Для выбора солнечной батареи СБ определен ее оптимальный угол наклона, который позволяет осуществляться самоудалению снега в зимнее время и вырабатывать электроэнергию, достаточную для потребителей.

Для обеспечения надежного и безопасного проживания в доме была выбрана защитная и коммутационная аппаратура.

В результате сопоставления затрат на покупку и на потребляемую электроэнергию для ламп ЛЛ, ЛН и СДЛ был обоснован выбор светодиодных ламп для помещений дома.

Перечень сокращений и буквенных обозначений

ГЭС - Гидроэлектростанция

т.у.т. - Тонны условного топлива

ПУЭ - Правила электроустановок

СНиП - Строительные Нормы и Правила

СП - Свод правил

СЭ - Солнечный элемент

СМ - Солнечный модуль

СБ - Солнечная батарея

АБ - Аккумуляторная батарея

УЗО - Устройство защитного отключения

ФЭС - Фотоэлектрическая станция

ФЭУ - Фотоэлектрическая установка

ШИМ - Широтно-импульсная можуляция

ТММ - Точка максимальной мощности

ЛЛ - Люминесцентные лампы

ЛН - Лампы накаливания

СДЛ - Светодиодные лампы

CОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обоснование необходимости автоматизации управления обогревом и другими технологическими процессами в доме усадебного типа в села Долгодеревенское Челябинской области

.1 Пути решения проблемы благоустройства сельских жителей

.2 Выбор объекта, характеристика дома

.3 Обоснование необходимости автоматизации управления освещением

2. Техническое задание на проектирование

2.1 Разделы и содержания технического задания

2.2 Основание для разработки

2.3 Цель и назначение разработки

.4 Источники разработки

. Освещение

.1 Источники света, используемые для освещения домов

.2 Светотехнический раздел

.3 Расчет осветительной установки с люминесцентными лампами

.4 Расчет осветительной установки с лампами накаливания

.5 Расчет осветительной установки со светодиодными лампами

.6 Электротехнический раздел

. Отопление и горячее водоснабжение в доме усадебного типа.

. Расчет электрических нагрузок

.1 Выбор сечения проводов и кабелей для потребителей

6. Разработка системы автоматического управления подключением сети при работе с альтернативным источником энергии при управлении технологическими процессами в доме усадебного типа

.1 Основные направления использования возобновляемых источников энергии

6.2 Анализ конструкции и устройства солнечных элементов и батарей

.3 Оборудование и компоненты фотоэлектрической установки

6.4 Разработка блок - схемы автоматического управления подключением сети при работе с альтернативным источником энергии при управлении технологическими процессами в доме усадебного типа

.5 Расчет фотоэлектрической установки для части электроприемников дома усадебного типа

7. Выбор оборудования фотоэлектрической установки

.1 Выбор количества и мощности солнечных модулей

7.2 Выбор инвертора

.3 Выбор аккумуляторов

.4 Выбор контроллера зарядки

.5 Выбор дополнительного оборудования

. Безопасность труда

.1 Общая характеристика объекта и состояние безопасности труда на объекте

.2 Мероприятия по производственной санитарии

.3 Характеристика микроклимата дома

.4 Защитные меры в электроустановках

.5 Мероприятия по молниезащите

.6 Повторное заземление нулевого провода

.7 Мероприятия по пожарной безопасности

. Технико-экономический расчет

.2 Себестоимость проектируемой ФЭУ

9.3 Сопоставление затрат на покупку и на потребляемую электроэнергию для ламп ЛЛ, ЛН и СДЛ 

Заключение

Список литературы

Приложение. Расчет фотоэлектрической установки и экономической части

Введение

Каждый человек любит свой дом и хочет, чтобы в доме было красиво, уютно и тепло, независимо от того, где он живет. И в наше время массового жилищного строительства, как это ни звучит парадоксально, наилучшее решение проблемы жилья - собственный дом, имеющий свою неповторимость.

Дом - это не только «крыша над головой», без которой, разумеется, нет нормальной жизни, это - события всей семьи, её поколений - родителей, детей, внуков.

Дом станет родным, любимым и надежным - крепостью семьи, если он теплый, удобный и красивый, располагающий к занятию любимым делом и приятному времяпрепровождению. Специалисты говорят в таком случае: жилище должно отвечать эксплуатационным требованиям - санитарно-гигиеническим, пожарным, эстетическим и другим. При этом важны как функциональность дома, так и его планировка [1,2].

Важнейшим условием реализации комфортности усадебного дома является оснащение жилища различными устройствами, работа которых основана на использовании электроэнергии. Украшением любого интерьера являются художественно оформленные светильники, электрокамины и другие электробытовые приборы, обеспечивающие удобство быта, комфорт и уют. Телевизоры, холодильники, стиральные машины, электроплиты, пылесосы, кухонные комбайны и другие приборы являются неотъемлемой частью быта людей. Электроподогреватели различных конструкций и назначений, кондиционеры, вентиляторы создают комфортные климатические условия в жилище.

Комфортность жилища повышается при наличии электродушевых, джакузи, саун и т.п. устройств, обеспечивающих прием водных и воздушных процедур. Работа этих устройств основана на использовании электроэнергии.

Все более широкое применение в быту находят персональные компьютеры и различные устройства на базе микропроцессорной техники, составляющие основу интеллектуализации жилища.

Кроме того, в усадебных домах широко используются различные насосы, электрокотлы, электроклиматические устройства для теплиц и др., являющиеся основой водо- и теплоснабжения как самого жилища, так и приусадебных построек, что также способствует повышению комфортности жилища.

В широкий спектр электробытовых приборов, создающих удобства в быту, входят различные электрочайники, кофеварки, электроутюги, электромясорубки, фены, электробритвы и др. Человек применяет в быту различные электроинструменты: электродрели, электрорубанки, электропилы, электрогазонокосилки, сварочные аппараты и т.д.

Оснащение жилища перечисленными видами электробытовых приборов и установок приводит к резкому увеличению электропотребления [1-3].

C каждым годом стоимость электроэнергии непрерывно растет вследствие постепенного истощении запасов ископаемого топлива и повышения затрат на разработку новых месторождений.

Использование альтернативных источников электроэнергии позволит выйти из зависимости ценовых скачков электроэнергии.

Согласно резолюции № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978г.) к альтернативным источникам энергии <#"871841.files/image001.gif">С;

температура в присутствии людей в дневное время 20С;

температура в присутствии людей в ночное время 16-18С;

потребляемая мощность электрических приборов;

освещение всех помещений.

В доме должно быть предусмотрено два контура управления (ЭИА0.ЭАП1.00.000 ПЗ): отоплением и горячим водоснабжением, параметры которых обеспечиваются благодаря водогрейному отопительному газовому котлу Baxi Eco3 Compact 240Fi необходимой мощности. Также в качестве дополнительного источника обогрева используются плёночные инфракрасные нагреватели «ПЛЭН».

Основные показатели системы автоматического управления ввода возобновляемого источника энергии - солнца (ЭИА0.ЭАП2.00.000 ПЗ):

род тока - переменный и постоянный;

номинальное напряжение - 220В переменного тока и 12 В постоянного;

частота тока - 50Гц;

выходная мощность солнечных батарей - в процессе расчета мощности, освещения дома усадебного типа.

.2 Основание для разработки

Основанием для разработки данного дипломного проекта является приказ ректора Челябинской Государственной Агроинженерной Академии от 21.03.2014 приказ № 156.

Тема разработки: «Электрификация и автоматизация технологических процессов в доме усадебного типа в с. Долгодеревенское Челябинской области с разработкой осветительной установки» (Комплексная дипломная работа).

Постановление, определяющее важность использования возобновляемых источников энергии: отраслевая программа «Основные направления и механизм энерго- ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве в РФ». А также «Федеральный закон об энергосбережении №261-ФЗ».

Требования, предъявляемые к объекту

Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.2.2645-10 "Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях".

Строительные нормы и правила Российской Федерации СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

Техническое предложение на разработку

Предполагается:

определить мощность, необходимую для обогрева дома, исходя из расчёта теплового баланса;

рассмотреть возможность снижения мощности за счёт улучшения теплоизоляции дома;

рассмотреть имеющуюся систему отопления в доме;

спроектировать систему дополнительного малоинерционного источника обогрева;

разработать алгоритм работы комбинированной системы отопления для двух температурных режимов;

разработать систему управления технологическими процессами отопления и горячего водоснабжения.

Отопление в доме усадебного типа предполагается осуществлять с помощью комбинированной системы управления, осуществляющей обогрев дома до температуры 14⁰С (с помощью отопительного газового котла Baxi Eco3 Compact 240Fi) при отсутствии людей в доме и повышения температуры в доме до комфортной (за счет работы ПЛЭНов) - при появлении людей.

Система автоматического управления отоплением с помощью газового котла Baxi Eco3 Compact 240Fi должна быть разработана на уровне функциональной и структурных схем. Работа инфракрасных обогревателей на основе ПЛЭН должна быть рассмотрена рассмотрена на уровне структурных схем (ЭИА0.ЭАП1.00.000 ПЗ).

Экономическая эффективность от использования комбинированной системы отопления должна превышать нормативный коэффициент 0,15 (срок окупаемости не более 6,7 лет).

Во второй части комплексной дипломной работы (ЭИА0.ЭАП2.00.000 ПЗ) предполагается рассмотреть процесс освещения и электроснабжения осветительной установки от альтернативного источника энергии - от солнечных батарей.

Для выбора осветительной установки необходимо произвести расчет освещения для разных типов ламп: для люминесцентных ламп (ЛЛ), ламп накаливания (ЛН) и светодиодных ламп (СДЛ).

Система автоматического ввода возобновляемого источника электроэнергии (солнца) должна быть разработана на уровне структурной схемы. Также на уровне структурной схемы должна быть проработана возможность подключения части потребителей не только к возобновляемому источнику электроэнергии, но и к сети - при отсутствии солнечной радиации.

Необходимо произвести выбор оборудования фотоэлектрической станции (ФЭС). Для выбора солнечной батареи (СБ) предполагается определить ее оптимальный угол наклона (ЭИА0.ЭАП2.00.000 ПЗ).

Должна быть разработана схема подключения потребителей (освещение, бытовые приборы и розеточная сеть) к электросети.

2.3 Цель и назначение разработки

Система автоматического ввода возобновляемого источника электроэнергии (солнца) предназначена для уменьшения потребления электроэнергии, поступающей от традиционных источников, на освещение (ЭИА0.ЭАП2.00.000 ПЗ).

Система автоматического управления отоплением и горячим водоснабжением предназначена для обеспечения автономной работы газового котла с целью уменьшения расхода газа (более дешевого вида топлива), а также снижения потребления электроэнергии (ЭИА0.ЭАП1.00.000 ПЗ).

Ориентировочная потребность в разрабатываемой системе управления в ближайшие пять лет увеличится в несколько раз.

Сроки начала и конца разработки учебного проекта: март-июнь 2014года.

2.4 Источники разработки

Литературные и интернет-источники, которые приведены в списке литературы.

Каталоги электротехнической продукции: EFK, ABB, IEK, ShneiderElectric, Световые Технологии, руководство по эксплуатации газового котла.

3. Освещение

Освещение является одним из важнейших факторов, характеризующих комфортность жилища. Электрическое освещение обеспечивает возможность нормальной жизни и деятельности людей в быту при отсутствии или недостаточности естественного освещения.

Роль электрического освещения в создании экстерьера здания и интерьера помещений настолько велика, что может в корне менять всю концепцию дизайна помещений по рисунку, архитектурному стилю, размещению мебели, типу и цветовому решению материалов, применяемых при разработке индивидуального проекта.

3.1 Источники света, используемые для освещения домов

В настоящее время разнообразие типов источников света, которые можно использовать для освещения индивидуальных домов и квартир (функционального и декоративного), достаточно велико.

Во внутренних помещениях кроме ламп накаливания для люстр и бра, а также широко распространенных галогенных ламп накаливания низкого напряжения могут использоваться компактные люминесцентные лампы, а также светодиодные светильники. Для установки и подключения источников света, а также для перераспределения их светового потока с целью освещения объекта используются различные светильники.

Многие фирмы-производители разработали светильники с такими лампами, которые по дизайну не уступают светильникам с традиционными источниками света. К тому же компактные люминесцентные лампы могут давать свет от холодного белого до теплого желтого спектра, который может имитировать свет ламп накаливания. Применение линейных люминесцентных ламп оправдано в декоративных карнизах интерьеров, а также на кухне и других хозяйственных помещениях. В настоящее время популярны светодиоды, миниатюрные лампы накаливания и неоновая подсветка, которые незаменимы в праздничном и декоративном освещении.

Исходя из пожеланий жильцов, по освещению каждого помещения могут быть решены вопросы их практической реализации. Здесь решающими могут быть форма и цвет светильников, тип кривой светораспределения, мощность ламп, а также их расположение.

Для архитектурной подсветки дома могут быть использованы прожектора с галогенными лампами накаливания, лампами PAR. Для освещения территории - торшеры с лампами накаливания и газоразрядными лампами малой мощности.

Характеристика источников света

Степень защиты светильника должна соответствовать среде, в которой он применяется. В помещениях с нормальной средой степень защиты может быть IP20, во влажных помещениях и на улице - не менее IP44, в сауне и бассейне светильники должны быть специальные, выполненные именно для этих помещений. Так, в сауне светильники должны быть полугерметическими, с завинчивающимися стеклами и располагаться на недоступной высоте.

Основным преимуществом люминесцентных ламп перед лампами накаливания является более высокая световая отдача, приводящая к существенной экономии электроэнергии, и более длительный срок службы. Недостатки люминесцентных ламп: необходимость использования ПРА; неустойчивость работы при низких температурах; коэффициент мощности меньше 1.

Спектральный состав люминесцентного освещения близок к спектру дневного света и потому люминесцентное освещение требует большего уровня освещенности, чем освещение лампами накаливания.

Нормы освещенности выбираются на основании СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования», СП31-110-2003, МГСН 2.06-99.

В осветительных установках применяются системы общего и комбинированного освещения. Система общего освещения предназначена для обеспечения нормированной освещенности, т.е. необходимой в соответствии с нормами охраны здоровья. В системе комбинированного освещения кроме общего имеется местное, создающее необходимую повышенную освещенность в тех местах, где это требуется. Это могут быть рабочие поверхности кухни, письменный стол, общее освещение гостиной, подсветка картин или других предметов и пр.

Декоративное освещение относится к дизайнерским решениям и может функционировать как в системе общего освещения, так и в качестве самостоятельно решающего вопросы интерьера.

При выполнении проекта освещения индивидуальных домов (квартир) принимаются во внимание существующие нормы, но большое значение в выборе осветительных приборов и их расположений имеет также задание на проектирование или дизайн-проект [3; 12-14].

При проектировании осветительной установки необходимо обращать внимание на возможные пути энергосбережения. Такими путями являются, например:

выбор экономичных источников света;

регулирование освещенности;

управление освещением из нескольких мест;

автоматическое управление освещением в зависимости от перемещающихся объектов [3; 10 ].

Таким образом, выбор типа светильников производится с учетом характера их светораспределения, экономичности и условий окружающей среды.

Требования к монтажу источников света

Во всех помещениях квартир, за исключением лоджий и балконов, должна быть предусмотрена возможность установки светильников общего освещения. Как правило, эти светильники подвешиваются или закрепляются на потолке. В подсобных помещениях (кухнях, передних, коридорах, холлах, кладовых), допускается общее освещение осуществлять настенными светильниками.

В проектах следует предусматривать установку в жилых комнатах, кухнях и передних квартир клеммных колодок для подключения светильников, а в кухнях и коридорах, кроме того, - подвесных патронов, присоединяемых к клеммной колодке.

В туалетных комнатах квартир следует устанавливать над дверью стенной патрон.

В ванных следует предусматривать установку светильника класса защиты IP54 над умывальником на высоте не менее 2 м над уровнем пола.

В кладовых и подсобных помещениях квартир и усадебных домов стационарное освещение следует выполнять, относя эти помещения к классу П-IIа. Установка штепсельных розеток в этих помещениях запрещается.

В жилых комнатах площадью 10 м² и более следует предусматривать возможность установки многоламповых светильников с лампами накаливания, которые можно включать по группам.

Крюк в потолке для подвешивания светильника должен быть изолирован. Это требование не относится к случаям крепления крюков к деревянным перекрытиям, а также в случае использования светильников класса защиты 1. Размеры крюков для подвешивания бытовых светильников должны быть: внешний диаметр полукольца 35 мм; расстояние от перекрытия до начала изгиба 12 мм. При изготовлении крюка, из круглого прута стали диаметр прутка должен быть 6 мм.

Приспособления для подвешивания светильников должны выдерживать в течение 10 мин без повреждения и остаточных деформаций приложенную к ним нагрузку, равную пятикратной массе светильника. В проектах масса светильника для жилых комнат, кухонь и передних квартир принимается 10 кг [3, 12, 13].

3.2 Светотехнический раздел

Для дальнейшего выбора защитной аппаратуры и мощности солнечных батарей необходимо знать мощности всех потребителей, в том числе освещения. Поэтому необходимо провести расчет.

Исходные данные

Характеристика помещений, входящих в рассматриваемый дом, приведена в таблице 3.1

Таблица 3.1 - Характеристика здания

Для выбора осветительной установки произведем расчеты для люминесцентных ламп, ламп накаливания и светодиодных ламп. Требования к осветительным установкам [15; 16], для рассмотренных помещений, приведены в таблицах 3.2, 3.7, 3.12.

3.3 Расчет осветительной установки с люминесцентными лампами

Произведем расчет осветительной установки с люминесцентными лампами для помещений дома, приведенных в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Требования к осветительной установке с ЛЛ и выбор нормированной освещенности и коэффициента запаса

Наименование помещения                Вид освещения   Система освещения          Источник света  Плоскость, в которой нормируется освещенность , м,

Гостиная

Выбор светового прибора

Наиболее целесообразный тип светового прибора должен выбираться на основе полного технико-экономического сопоставления различных возможных вариантов. Выбор светового прибора для помещения гостиной представлен в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Выбор светового прибора [17, с.241,309-310]

Выберем световой прибор ЛДОР (двухламповый), так как этот светильник имеет наибольший КПД.