Реферат практика. Комплексное программное и аппаратное обеспечение для автономного устройства освещения
 Скачать 259.98 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Республики Казахстан Казахский национальный университет им. Аль-Фараби Физико-технический факультет Отчет ПО УЧЕБНОЙ ПРАКТИКЕ Тема: «Комплексное программное и аппаратное обеспечение для автономного устройства освещения» Выполнил: Нургалиев М. К., гр. 312, РЭТ Проверил: Саймбетов А. К. Алматы 2015 ВВЕДЕНИЕ Основное преимущество возобновляемых источников энергии их неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии. Возобновляемые источники энергии играют значительную роль в решении трёх глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетика, экология, продовольствие. По оценке Американского общества инженеров-электриков, если в 1980 году доля производимой электроэнергии на ВИЭ в мире составляла 1%, то к 2005 году она достигнет 5%, к 2020 г. - 13% и к 2060 г. - 33%. По данным Министерства энергетики США в этой стране к 2020 году объём производства электроэнергии на базе ВИЭ может составить от 11 до 22% от общего производства (включая мощные ГЭС). В планах Европейского Союза увеличение доли использования ВИЭ в энергопотреблении (т.е. производства электричества и тепла) с 6% в 1996 г. до 12% в 2010 г. Основной результат в общей картине определяет Германия, в которой планируется увеличить долю возобновляемой энергетики с 5,9% в 2000 году до 12% в 2010 году в основном за счёт энергии ветра, солнца и биомассы. Если человечество не осуществит «зелёную» технологическую революцию, то к 2035г. при существующем росте потребления ему понадобится две таких планеты. Растущая нехватка природных ресурсов, рост экологических и энергетических издержек производства становится главной причиной нового мирового экономического кризиса. И в то же время страны, сохранившие свои экосистемы, почву, воду и лес, получают конкурентные преимущества. Это даёт Казахстану исторические шансы. Как заявил Глава государства Н. Назарбаев в интервью телеканалу «Россия-24» 25.04.2012, существующий мировой кризис – «преддверие технологического бума» и нового экономического уклада, «это будет зеленая экологически чистая экономика”. Направление «зелёного роста» и низкоуглеродной экономики как инструмента устойчивого развития было заложено в Стратегии развитии Казахстана до 2020г, в ГПФИИР, в международных инициативах Казахстана и Главы государства. Потенциал солнечной энергетики в Казахстане – 2,5 миллиарда киловатт часов в год. Германия, находясь в более худших климатических условиях в 2015 году планирует перейти на 30% использования солнечной энергии. Существование проблемы финансовых расходов государства на освещение улиц в ночное время суток позволяет заключить, что исследование, объектом которого является автономная сеть уличного освещения, на предмет экономии электроэнергии, контроля работы системы автономного освещения и увеличения эффективности уличного освещения в целом, актуально. Перспективами для данной работы является применение настоящего разрабатываемого программного и аппаратного обеспечения устройством уличного освещения автодорог, парков, скверов и населённых пунктов. Основной целью работы является разработка комплексного программного и аппаратного обеспечения для автономного уличного освещения в режимах работы на солнечном элементе и питании от источника переменного напряжения. Задачи: Создание блок-схемы для устройства уличного освещения; Сборка схемы и исследование в режимах работы на солнечном элементе, и питании от источника переменного напряжения; Анализ данных, полученных при тестировании устройства уличного освещения; Разработка программного обеспечения для управления уличным освещением; Тестирование и отладка программного обеспечения для управления уличным освещением. Теоретические основы Для внедрения автономного уличного освещения следует оценить эффективность его использования. Наиболее важным положительным аспектом применения устройства уличного освещения является использование солнечного элемента как источника возобновляемой энергии в одном из режимов работы устройства уличного освещения. Данный вид энергии является перспективным направлением развития энергетики во всем мире. К примеру, в Германии весьма эффективными стали льготные тарифы (дополненные выгодными кредитами с низкими процентами и равноправным доступом к электросетям), хотя они и обходятся дорого – 0,65 доллара США за кВт·час. В последние годы уровень льготного тарифа на солнечную энергию в Германии был несколько снижен, а также был введен элемент пропорционального снижения. Парламент Германии одобрил предложение ускорить пропорциональное снижение компенсации для автономных установок на 5% в год в 2008 г., на 10% – в 2010 г. и на 9% – начиная с 2011 г. Это создаст стимулы для снижения себестоимости и, следовательно, для продвижения по кривой роста производительности. В Соединенных Штатах на протяжении многих лет фотоэлектрические установки пользовались федеральными налоговыми льготами, но этого оказалось недостаточно, чтобы обеспечить широкомасштабное использование фотоэлектрической энергии. Поэтому в последнее время штаты Калифорния (где производится около 80% всего фотоэлектричества в стране), Аризона и Нью-Джерси внедрили агрессивные стратегии поощрения фотоэлектричества, включая налоговые льготы для владельцев домашних и коммерческих установок и системы обязательных квот со специальным резервом для солнечной энергии. Система оплаты за электричество, при которой излишки электроэнергии, производимой солнечной энергосистемой, отправляются в общую электросеть и при этом счетчик крутится в обратную сторону, выгодные структуры розничных тарифов и четкие правила взаимодействия также способствовали увеличению рынков фотоэлектричества. Эти меры могут также помочь Республике Казахстан в создании рынков фотоэлектрической энергии. Вторым режимом работы нашего устройства является режим питания от источника переменного напряжения. В результате исследования нами было установлено, что потребление электроэнергии при контроле освещенности в различных погодных условиях и при наличии или отсутствии прохожих может быть снижено на 30-35%. 2.1. Элементная база Сегодня наиболее распространенны газоразрядные лампы уличного освещения, заполненные парами ртути или натрия. В последнее время наблюдается тенденция перехода на светодиодные излучатели, но в массовом порядке эта технология пока не применяется. В традиционных системах управления газоразрядными лампами важнейшую роль играют балластные сопротивления или балласты. Балласты ограничивают мощность до номинального уровня и широко используются для реализации простейших функций управления. Индукционные балласты (ИБ) формируют бросок тока при подаче питания, необходимый для поджига газоразрядной лампы. На этапе устойчивого свечения индукционный балласт (его еще называют магнитным балластом) ограничивает мощность на лампе за счет реактивного сопротивления индуктивности (сам балласт не нагревается). Недостаток магнитных балластов – сдвиг фаз между током и напряжением исправляют за счет применения конденсаторов и разнообразных схем противофазного включения нескольких ламп, что также снижает стробоскопический эффект от мерцания ламп на промышленной частоте. Стробоскопический эффект показывает, как быстро меняется скорость тела при его неравномерном движении. Различают два типа стробоскопических эффектов. Первый состоит в том, что при наблюдении быстро сменяющих друг друга отдельных фаз движения (каждая из которых фиксируется в состоянии покоя) возникает иллюзия непрерывного движения. Это связано с инерцией зрения, то есть со способностью клеток сетчатки глаза сохранять зрительный образ объекта в течение некоторого промежутка времени (примерно 0,1 секунды) после исчезновения самого зримого объекта. И если время между появлениями отдельных изображений меньше этого промежутка, образы сливаются и движение воспринимается как непрерывное. На этом, в частности, основано восприятие движения в кинематографе и телевидении. Стробоскопический эффект второго типа заключается в том, что при определенных условиях возникает, наоборот, иллюзия покоя предмета, который на самом деле движется. Представьте себе, например, какое-то вращающееся тело, скажем колесо со спицами, которое освещается импульсной лампой, дающей короткие, повторяющиеся через равные промежутки времени вспышки. Ясно, что наблюдатель будет видеть колесо только в те моменты, когда оно окажется освещенным. Если частота вращения колеса в точности совпадает с частотой повторения вспышек, колесо будет освещено каждый раз в одном и том же положении. При достаточно большой частоте вращения (и вспышек) глаз будет сохранять это зрительное ощущение в течение промежутков времени между вспышками, и колесо будет казаться неподвижным. Приборы, в которых используется этот эффект, называют стробоскопами. В современных стробоскопах прерывистое освещение осуществляется с помощью импульсных ламп с регулируемой частотой вспышек. Электронные балласты (ЭБ) – это полупроводниковые устройства, обеспечивающие нужную последовательность подачи токов поджига и поддержания напряжения на лампе. ЭБ обычно состоят из инвертора преобразующего токи промышленной частоты в токи частотой примерно 20 кГц. Это дает ряд преимуществ: устраняется стробоскопический эффект и повышается яркость свечения газа за счет постоянной ионизации на повышенной частоте. Яркость свечения резко возрастает (на 9%) на частоте около 10 килогерц (кГц), и далее плавно возрастает при повышении частоты приблизительно до 20 кГц. Работа на высокой частоте позволяет также резко сократить габариты электронных компонентов, повысить их КПД и использовать для ограничения тока через лампу не индуктивность, а конденсатор, тем самым минимизируя потери электрической мощности. Современные ЭБ позволяют плавно регулировать яркость свечения и реализовать различные режимы поджига газоразрядных ламп: Мгновенный старт: поджиг ламп без предварительного разогрева катодов импульсом напряжения около 600 В. С энергетической точки зрения это наиболее эффективный способ, но он приводит к мощной эмиссии ионов с поверхности холодного катода, что укорачивает срок службы ламп при частом включении; Быстрый старт: одновременная подача энергии поджига и прогрев катодов. При работе в таком режиме тратится некоторое количество энергии на постоянный подогрев катодов; Программируемый старт: последовательная подача энергии сначала на подогрев катодов, а затем на поджиг электронной дуги. Этот способ обеспечивает наиболее длительный срок службы газоразрядных ламп, высокую экономичность и максимальное количество циклов включения – выключения. ЭБ часто оснащают средствами дистанционного управления контроля. В качестве сетевых протоколов обычно используются LonWorks, DMX-512, DALI, DCI. Например, широко распространенный протокол LonWorks, разработанный Echelon Corporation, может использовать в качестве транспортной среды силовой кабель, по которому подается питание на лампу. В этом протоколе определены методы адресации, маршрутизации и управления. Таким образом, ЭБ является своеобразным «выключателем» для ламп уличного освещения, обеспечивая энергосбережение, продление ресурса ламп и дистанционное управление. Для автоматизации включения и выключения ламп уличного освещения чаще всего используют датчики уровня освещенности. Алгоритм работы таких систем предельно прост: при снижении уровня яркости ниже заданного порога лампы включаются, и выключаются при превышении порога срабатывания. К недостаткам таких систем можно отнести трудности калибровки датчиков, чувствительность датчиков к загрязнению, невозможность реализации энергосберегающих алгоритмов работы (например, затемнения или выключения части ламп в глухое ночное время, когда полное освещение не требуется). Альтернативным методом автоматического управления в системах уличного освещения является использование графика включений и выключений освещения. При таком подходе контроллер на основании даты, дня недели (будни или выходные) и времени суток включает или выключает освещение. Этот метод является простым и эффективным. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Устройство автономного освещения работает в двух режимах: при потреблении аккумулированной энергии от солнечного элемента, и при потреблении переменного напряжения. 3 5 1 2 3 4 6 7 8        .1.Описание общего принципа работы устройства автономного освещения.   Рисунок 1. Блок схема работы устройства автономного освещения. 1.датчик движения; 2.датчик освещенности; 3.датчик температуры; 4.датчик влажности; 5.микроконтроллер; 6.аккумулятор; 7.источник переменного напряжения; 8.солнечный элемент. Данные с датчиков 1,2,3,4 поступают в микроконтроллер, который обрабатывает информацию и с помощью модуля GSM отправляет данные через интернет на сервер. Информация с сервера в любое время может быть просмотрена диспетчером. В схеме указаны оба режима работы устройства, переключение между режимами осуществляется ключом. Солнечный элемент и аккумулятор 6,8 соответственно, и источник переменного напряжения 7 являются источниками энергии схемы.  Рисунок 2. – Модель уличного фонаря с использованием солнечной батареи 3.2.Описание используемого оборудования с дополнительными устройствами Основные устройства: 1. Светодиодный светильник; 2. Солнечный элемент; 3. Аккумулятор; Дополнительные устройства: 1. Инвертор Инвертор - это преобразователь постоянного тока напряжения 12 вольт (или 24 вольта) в переменный ток напряжения 220 вольт. Источниками постоянного тока 12 вольт являются аккумуляторные батареи или солнечные батареи. Прибор имеет следующие особенности: - бесшумное и высокоэффективное функционирование - индикаторы и селекторные переключатели на передней панели - возможность выбора типа батарей -принудительное внутреннее охлаждение воздушным потоком: вентиляторы с переменной скоростью вращения - автоматическая защита от перегрузки и превышения температуры - защита от полного разряда и перезаряда батарей - высокая скорость переключения с батарей на сеть и обратно - крайне малое потребление тока в режиме ожидания (менее 1 Вт) - возможна работа с генератором 2. GSM модем 3. Фотореле или GPS - навигатор. 4. А также: блок управления светильником, силовое оборудование и, при необходимости, счетчик электроэнергии и другие элементы в зависимости от модификации.  Рисунок 3. – Схема освещения Описание: 1. Система сочетает в себе использование светодиодных светильников под управлением модема и фотореле. Плюсы системы: фотореле имеет низкую стоимость Минусы системы: отсутствует возможность полного мониторинга системы, фотореле чувствительны к загрязнениям и требуют частой настройки, требуется большое количество модемов из-за отсутствия зональных шкафов управления. 2. Система сочетает в себе использование светодиодных светильников под управлением модема и GPS - навигатора. Плюсы системы: возможность полного мониторинга и получения отчёта о неисправностях и ошибках системы, нет необходимости частой настройки GPS – навигатора – вычисление координат происходит точно по настроенным параметрам либо при помощи системы глобального позиционирования. Минусы: требуется большое количество модемов из-за отсутствия зональных шкафов управления. Системы автоматического управления уличным освещением Системы автоматического управления уличным освещением обычно работают под управлением зонального контроллера или сервера. В зависимости от алгоритма управления, контроллер формирует сигнал, например, включения группы уличных фонарей. Для передачи этого сигнала на исполнительные устройства (обычно электронные балласты ламп уличных фонарей) используются следующие средства: слаботочные сигнальные линии (витые пары, RS-485, Ethernet и т.д.); радиоканал; GSM-канал; передача сигнала по силовому кабелю. Таблица 1 - Сравнение способов передачи сигналов управления.
Использование фотореле Фотореле предназначено для включения и выключения освещения при изменении интенсивности дневного освещения. Широкий диапазон настройки чувствительности позволяет использовать фотореле для управления уличным освещением. Светочувствительное фотореле используется для экономии электроэнергии. Фотоэлектронный датчик реагирует на освещение окружающей среды с наступлением сумерек. Фотоблок начинает разогрев ламп с наступлением сумеречного времени, и при изменении освещенности напряжение на выходе прибора увеличивается. С наступлением рассвета напряжение на выходе падает, и прибор входит в режим ожидания сумеречного времени. Не требует регулировки освещенности. Микропроцессорное управление позволяет стабилизировать выходное напряжение, предотвращая скачки переменного тока. Использование фотореле позволяет организовать дешёвую систему управления уличным освещением. Однако датчики, используемые в фотореле, чувствительны к загрязнению. Также они требуют очень точной настройки. Если неправильно расположить датчик, то с заходом солнца его может закрыть тень от стоящих рядом деревьев, домов, рекламных щитов и так далее. В связи с этим освещение включится преждевременно. Важно помнить использовать фотореле, с внешним датчиком, можно на достаточно открытой местности. Достоинства: небольшие размеры и масса прибора, низкая потребляемая от сети мощность, герметичный сенсор с проводом 2 метра. Недостатки: невысокий уровень защищённости прибора. Технические характеристики: номинальное напряжение сети - 220 Вольт (В); номинальная частота - 50 Герц (Гц); коммутируемый ток не более – 15 Ампер (А), на размыкание не более - 5А; задержка включения/выключения 5/15 секунд; мощность, потребляемая от сети не более - 0,4 Вт; габаритные размеры - 18/65/90 миллиметров (мм); степень защиты - IP 20; масса - 90 грамм (г); интервал рабочих температур от -40 0С до +40 0С.  Рисунок 4. Схема расположения светильников под управлением фотореле Использование датчиков движения Датчик (детектор) движения — инфракрасный (тепловой) датчик, который обнаруживает перемещение живых объектов и управляет освещением. В датчике движения используется в качестве сенсора пироэлектрический датчик, принцип работы которого основан на повышении напряжения на его выходе при повышении уровня инфракрасного излучения по сравнению с фоновым. Для включения света используется внутреннее реле датчика.  Рисунок 5. Пример работы датчика движения. Технические характеристики: Номинальное напряжение – 240,В Номинальная частота – 50 Гц Диапазон рабочих температур – от -10 до +40 С Влажность, не более – 98% Скорость движения объекта – 0,6-1,5 м/с Потребляемая мощность - 0,45 (в рабочем режиме), 0,1 (в режиме ожидания) Вт Высота установки – потолочные: 2,0-4,0 м, на прожектор: 2,0-4,5 м Время отключения (регулируется) - от 5 сек до 12 мин Угол обзора – 120°-360° (в зависимости от исполнения) Дальность действия – 2-12 (в зависимости от исполнения) м Использование GSM – модема. Современные системы автоматического управления уличным освещением с использованием GSM - модема строят по трехуровневой архитектуре: Блок непосредственного управления лампой или группой ламп в фонаре уличного освещения Шкаф зонального уровня управления (улица или квартал) Центральный сервер территории В такой системе любую лампу можно включить или выключить сигналом с центрального сервера. Это достигается применением блоков непосредственного управления лампой. Расплата за подобные удобства – высокая стоимостью аппаратной части. Система индивидуального управления каждой лампой по GSM-каналу на практике не применяется из-за высокой стоимости GSM-модемов и необходимости установки индивидуальных SIM-карт в каждый блок и последующего учета расходов. Поэтому GSM-канал используют только на уровне зонального шкафа управления. Трехуровневый принцип построения систем управления освещением распространяется не только на методы дистанционного управления включением или выключением отдельных ламп, но и на функциональные возможности системы. Индивидуальное управление с помощью интеллектуальных ЭБ; Зональное управление освещением с дистанционным регулированием мощности; Зональное управление освещением с телеметрией. Использование GPS приёмников Интересный метод управления уличным освещением в соответствии с наружным уровнем освещенности предложила корейская фирма Stwol. Вместо фотодатчика применили встроенный GPS-приемник и вычислительное устройство. Зная координаты географического местоположения контроллера уличного освещения и астрономическое время, получаемое со спутников системы глобального позиционирования, вычислитель определяет точное время захода и восхода солнца. Контроллер включает освещение за 15 минут до наступления сумерек (момента, когда центр солнца находится под 6° над горизонтом) и выключает освещение через 10 минут после восхода солнца в данной точке земного шара. Очевидно, что данная система нечувствительна к оптическому загрязнению и неточной калибровке фотодатчиков.  Рисунок 6. Схема управления уличным освещением с помощью GSM-канала ЗАКЛЮЧЕНИЕ Использование альтернативных источников энергии, в частности, солнечной энергии, переход Казахстана к «зеленой энергетике», использование устройств на солнечных элементах, таких как автономное уличное освещение, является ещё одним шагом на пути к устойчивому развитию нашей страны. В результате работы нами было установлено, что использование комплексного программного обеспечения, дающее нам возможность полностью контролировать процесс освещения, позволяет значительно снизить энергозатраты по эксплуатации устройства. А применение солнечного элемента с аккумулированием энергии позволит уменьшить финансовые затраты государства на уличное освещение, что положительно скажется на экономике страны. Использование датчиков температуры, влажности, освещенности и движения позволяет оптимизировать работу устройства автономного освещения и подобрать оптимальный уровень освещенности в определенных условиях при минимальных энергозатратах. В перспективе планируется разработка программного и аппаратного обеспечения для автономного освещения скверов, парков, автомобильных дорог и населённых пунктов. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Алексеев В.В., Чекарев К.В. Солнечная энергетика. - М.: Знание, 1991.- 64 с. Бурдаков В.П.Электроэнергия из космоса М: Энергоатомиздат 1991, 152 с. Рубан С.С.Нетрадиционные источники энергии-М.:Энергия, 2003, 134 с. Харченко Н.В.Индивидуальные солнечные установки М. Энергоатомиздат 1991, 208 с. Новая энергетическая политика России / Под общ. ред. Ю.К. Шафраника M.: Энергоатомиздат, 1995, 512 с. Ванке В.А., Лесков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы. М.: Машиностроение, 1997, 144 с. Базаров, Б.А., Новые способы получения кремния солнечного качества./ Б.А.Базаров, В.В. Заддэ, Д.С. Стебков и др.// Сб. "Солнечная фотоэлектрическая энергетика". - Ашхабад, изд. Ылым, 1983, 56-59 с. Грилихес В.А. Солнечные космические энергостанции 1986, 182 с. Стребков Д.С. Сельскохозяйственные энергетические системы и экология. Альтернативные источники энергии: эффективность и управление. 1990, N 1, 39 – 40 c. Володин В.Е., Хазановский П.И. "Энергия, век двадцать первый". М.:Знание, 1998, 142 с. Климов В.В. Фотосинтез и биосфера № 8, 6-13 с. Бусаров B. Успех поиска путей. Концепция перехода к устойчивому развитию и особенности региональной энергетической политики. - Зеленый мир 1999, N 16, 14-15 c. Фугенфиров М.И. Использование солнечной энергии в России Теплоэнергетика. 1997, №4, 6-12 с. Бекман У., Клейн C., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. M.: Энергоатомиздат, 1982, 78 с. www.3dnews.ru/editorial/sun_energy http://www.avante.com.ua/rus/products/_preobrazovateli/_invertora/invxantrex.html http://www.proektstroy.ru/publications/view/15822?bigid=8 http://www.radioavt.ru/uunos1_su.php http://www.o-svet.ru/articles/s10/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||