XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

РАСЧЁТ СЕТИ НАРУЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ ГИМНАЗИИ 177 КРАСНОГВАРДЕЙСКОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Степанов А.А. 1

---

1ГБОУ гимназия 177 Красногвардейского района Санкт-Петербурга

Картуков А.Г. 1

---

1ГБОУ гимназия 177 Красногвардейского района Санкт-Петербурга

Работа в формате PDF

515 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире всё чаще уделяется внимание альтернативным источникам энергии. Увеличение стоимости традиционных энергоресурсов, дефицит источников энергии, дали огромный толчок для развития альтернативной энергетики. Разрабатываются более эффективные возобновляемые источники энергии, с использованием улучшенных технологий производства, современных инженерных подходов и новых материалов.

В Санкт-Петербурге осуществляется модернизация уличных сетей освещения социальных объектов, так как осветительное оборудование имеет устаревшую конструкцию, в которой используются низкоэффективные лампы накаливания, потребляющие большое количество энергии. Также светильники имеют физический износ. Штатные системы освещения реконструируются, заменяются более энергоэффективным оборудованием. Модернизация систем уличного освещения позволяет сократить расходы потребляемой энергии.

В результате анализа потребляемой электроэнергии штатной наружной системы освещения гимназии №177 Красногвардейского района Санкт-Петербурга, было установлено, что наружное освещение в настоящее время малоэффективно: штатные прожекторы обладают малой мощностью и небольшой площадью освещения. Из-за большого количества прожекторов потребляется много электроэнергии.

Один из самых распространенных источников альтернативного питания является солнечная энергия. Для получения электричества из солнечной энергии используют солнечные батареи. Преимущество солнечных батарей – универсальность применения и мобильность. Монтаж может осуществляться практически на любых поверхностях. Солнечные батареи легко применимы как для обеспечения частных потребителей, так и для производственных мощностей.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью совершенствования наружного освещения гимназии №177 Красногвардейского района Санкт-Петербурга с применением альтернативных источников питания – солнечных батарей взамен установленных.

Исходя из этого, целью работы является: выполнение расчёта сети с использованием альтернативных источников питания и обоснование целесообразности замены штатных осветительных приборов.

Объект исследования: сеть наружного освещения гимназии.

Предмет исследования: техноэкономические показатели сети наружного освещения.

Гипотеза: использование альтернативных источников питания позволит усовершенствовать систему наружного освещения гимназии более современными и перспективными образцами, и станет экономически выгодным по сравнению со штатной.

Задачи:

Анализ энергетических характеристик наружных сетей освещения.

Расчёт альтернативного источника питания для использования в сети наружного освещения.

Разработка схемы наружного освещения с учётом предполагаемых технических решений.

Технико-экономическая оценка выполненных расчётов (окупаемость).

АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАРУЖНЫХ СЕТЕЙ ОСВЕЩЕНИЯ

Анализ энергетических характеристик штатной наружной сети освещения

Штатная система наружного освещения состоит из силового кабеля длиной 303 метра, светодиодных уличных светильников Wolta stl-150w/04 (21 светильник), контактора модульного ESB-20-11 (20А AC1) 220 В АС ABB, автоматического выключателя АЕ2046-10Р-00 У3 I-20А.

Рис.1.1- Внешний вид сети наружного освещения гимназии

На данный момент для наружного освещения гимназии №177 используется светодиодные уличные светильники Wolta stl-150w/04 150вт ip65 торговой марки WOLTA® STL китайского производства. Для обеспечения светильников электричеством используется силовой кабель длиной 303 метра с термическим барьером из слюдосодержащей ленты, в изоляции и с наружным покровом из ПВХ пластиката пониженной пожароопасности марки: ВВГЭнг(A)-FRLS 3х1,5 мм².

Для управления цепью освещения применяется контактор модульный ESB-20-11 (20А AC1) 220 В АС ABB, а за защиту электрической цепи от перегрузки и токов короткого замыкания отвечает автоматический выключатель АЕ2046-10Р-00 У3 I-20А

Расчёт потребляемой энергии штатной системой освещения

Согласно пункту 4.6.1.13 ГОСТ Р 52766-2007, системы наружного освещения должны включаться вечером, когда естественное освещение снижается до уровня менее 20 люкс. Лампы гаснут в утренних сумерках, когда освещение достигает 10 люкс.

Таблица 1.1 - Время работы светильников

Время горения светильника (часов в год) = 4 574 часа.

Общие затраты на электроэнергию, потребляемую уличным освещением Е, руб, определяются по формуле [2]

, (1.1)

где n – количество светильников, P – мощность одного светильника, кВт; T – время горения светильника, часов в год; С- тариф на электроэнергию (для Санкт-Петербурга на 12.01.2022 С=4,98), k – коэффициент запаса, учитывающий изменение полезного эффекта от источников света (коэффициент определяют в зависимости от срока эксплуатации светильника и степени его загрязненности; для уличного освещения k берется равным 1,3).

Потребляемая энергия в течение календарного года, вычисляемая по формуле (1.1) равна 93278,04 руб/год.

Расчёт освещённости территории гимназии

По условиям санитарных правил и норм (СанПиН) территория учреждения должна иметь наружное искусственное освещение. Уровень искусственной освещенности на земле должен быть не менее 10 люкс.

Формула для определения требуемой освещенности Е, Лк, имеет следующий вид [18]

, (1.2)

где L – количество осветительных приборов, F - световой поток, Лм; S - площадь освещаемой территории, м².

Площадь освещаемой территории гимназии 177 приблизительна равна 6566 м². Количество светильников – 21.

Световой поток одного светильника – 15000Лм.

По формуле (1.2) освещённость территории гимназии равна 48Лк

Штатные осветительные приборы (Wolta stl-150w/04) позволяют обеспечить территорию гимназии освещенностью 48 люкс.

Анализ перспективных приборов сетей наружного освещения

Уличное освещение – весьма затратная статья. Поэтому чтобы сократить расходы гимназии на наружное освещение можно рассмотреть полностью автономное освещение, потребляющее солнечную энергию. Установление уличного наружного освещения на солнечных батареях позволит исключить потребление энергии из сетевых источников.

В качестве альтернативных осветительных приборов взамен штатных могут использоваться светодиодные светильники, оборудованные солнечными панелями, от компаний Sunlightfine и Inled.

Таблица 1.2 – Технические характеристики прожекторов Sunlightfine, Inled.

1.4.1 Светильники Sunlightfine.

Фонари очень экономичны за счет автоматического включения только в темное время суток и встроенного датчика движения. В лампах используются современные материалы солнечных панелей, хорошо поглощающие не только прямое солнечное излучение, но и рассеянный свет, проникающий через облака. Преимуществом прожекторов Sunlightfine является надёжность и эффективность. В конструкции предусмотрены солнечные панели и аккумуляторы, которыми комплектуются все светильники.

б)

Рис. 1.3 - Прожекторы Sunlightfine 100Вт/200Вт/300Вт;

а – общий вид; б – поликристаллическая солнечная панель

1.2.2 Светильники Inled.

У личные светодиодные светильники Inled на солнечных батареях сертифицированы и предназначены для освещения парков, бульваров, дворовых территорий, автостоянок и промышленных объектов, а также проселочных дорог и различных труднодоступных территорий. Они обеспечивают равномерное освещение с хорошим коэффициентом цветопередачи. Свет включается автоматически при срабатывании датчика освещенности в ночное время или при наступлении темноты. Зарядка осуществляется даже в пасмурную погоду и в зимнее время года.

Рис. 1.4 - Прожекторы Inled 100Вт/200/300В с солнечной батареей

Ниже приведены диаграммы, отображающие ключевые характеристики штатных осветительных приборов (Wolta stl-150w/04) и светильников, рассматриваемых в качестве замены штатным.

Рис. 1.5 - Технические характеристики осветительных приборов

Диаграммы наглядно показывают, что светильник Sunlightfine мощностью 300Вт имеет преимущество по сравнению с другими осветительными приборами и штатным светильником Wolta stl-150w/04. Использование светильников Sunlightfine мощностью 300Вт для наружного освещения гимназии улучшит техноэкономические показатели сети наружного освещения.

В ходе анализа энергетических характеристик штатной наружной сети освещения, были определены общие затраты на электроэнергию, которые составили 93278,0394 рублей в год.

Чтобы минимизировать, исключить расходы на наружное освещение было предложено использовать уличное наружное освещение на солнечных батареях. В качестве перспективных альтернативных осветительных приборов, оборудованных солнечными панелями, рассматривались светильники от компаний Sunlightfine и Inled. Исходя из сравнения ключевых технических характеристик, был выбран прожектор от компании Sunlightfine мощностью 300Вт, который по всем параметрам оказался лучше своих конкурентов.

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМОЙ СИСТЕМЫ НАРУЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Выбор элементов для предлагаемой системы наружного освещения

Для расчета эффективности предлагаемой системы наружного освещения были выбраны следующие элементы: прожектор мощностью 300 Вт от компании Sunlightfine, поликристаллическая солнечная панель (идёт в комплекте с прожектором).

Уличный прожектор 300 Вт на солнечной батарее с датчиком движения имеет отдельную солнечную панель увеличенной мощности. Коэффициент полезного действия поликристаллических солнечных батарей – до 18%. Панели поглощают солнечную энергию и преобразуют её в электричество для освещения. Полное время заряда составляет 4-8 часов. Время работы до 24 часов от полного заряда.Автоматически включается как станет темно, светит постоянно. В светлое время суток находится в режиме зарядки и не освещает территорию. Прост в использовании, долговечен, не боится дождя и снега. Высокий уровень защиты - IP67.

Рис. 2.1 - Прожектор Sunlightfine 300 Вт с поликристаллической панелью

Светильник не требует подключения к сетевому источнику энергии. В конструкции предусмотрены солнечные панели и аккумуляторы. Прожектор легко устанавливается, без необходимости прокладки проводов, может быть установлен на столбе или на стене. Светильник Sunlightfine 300Вт мощнее штатного осветительного оборудования в 2 раза и может освещать площадь приблизительно в 2 раза больше. Следовательно, потребуется меньшее количество осветительных приборов.

Штатное осветительное оборудование (Wolta stl-150w/04) обеспечивает территорию гимназии освещенностью 48 люкс, что удовлетворяет условиям санитарных правил и норм (СанПиН)

Формула для определения необходимого количества осветительных приборов L, для освещения определённой территории имеет вид [15]

, (2.1)

где E - требуемая освещенность, Лк; F - световой поток, Лм; S - площадь освещаемой территории, м².

Площадь освещаемой территории гимназии 177 приблизительна равна 6566 м².

Световой поток одного светильника – 30000Лм.

Требуемая освещенность – 48 люкс

По формуле (2.1) необходимое количество светильников равно 15.

Рис.2.2 – Предлагаемая схема наружного освещения

Таким образом, для обеспечения территории гимназии освещённостью в 48 люкс, потребуется 15 прожекторов. Исходя из этого, экономическая выгода будет очевидна, внешний вид наружного освещения будет видоизменен.

Расчёт вырабатываемой и потребляемой энергии предлагаемой системы наружного освещения

Расчёт время заряда аккумулятора.

Солнечная панель мощностью 30 Вт будет вырабатывать ток силой не больше 7А.ч. Номинальное значение силы тока – 2,5A. Формула для определения времени заряда аккумулятора t, ч, имеет следующий вид [16]

, (2.2)

где Q – ёмкость аккумулятора, Ач; I – ток зарядки, А.

По формуле (2.2) время заряда аккумулятора равно 12 часов.

Аккумулятор ёмкостью 30Ач полностью зарядится за 12 часов при силе тока 2,5А.

Расчёт потребляемой энергии.

Светильник мощностью 300Вт использует ток силой 3A. Время разряда аккумулятора будет равно [17]

, (2.3)

где Q– ёмкость аккумулятора, Ач; I – сила тока светильника, А.

По формуле (2.3) время разряда аккумулятора равно 10 часов.

Полностью заряженный аккумулятор может обеспечить работу светильника на 10 часов.

В Санкт-Петербурге низкий уровень инсоляции и короткий световой день, особенно в зимний период. Поэтому аккумулятор не будет заряжен полностью: не более 50% от ёмкости. Следовательно, время работы светильника значительно уменьшится и будет составлять менее 5 часов.

Необходимо скомплектовать прожектор, удовлетворяющий условиям работы.

Комплектация:

- прожектор мощностью 100Вт;

- солнечная панель мощностью 30Вт и напряжением 12В;

- аккумулятор ёмкостью 30А.ч;

Светильник мощностью 100Вт использует ток силой 1,8A. По формуле (2.4) время разряда аккумулятора равно 17 часов.

Полностью заряженный аккумулятор может обеспечить работу светильника на 17 часов.

По формуле (1.2) освещённость территории гимназии равна 23 Лк:

Светильники мощностью 100Вт в количестве 15 штук будут обеспечивать территорию гимназии освещенностью 23 люкс, что удовлетворяет условиям санитарных правил и норм (СанПиН).

Светильник от компании Inled JX-SSL-D 100W соответствует нашей комплектации, условиям работы и может быть использован для освещения территории гимназии. Таким образом, появляется возможность не собирать прожектор по частям, а приобрести готовый.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЫПОЛНЕННЫХ РАСЧЁТОВ

Расчёт стоимости работ по установке нового оборудования

Для установки нового осветительного оборудование необходимо выполнить следующие работы: демонтаж старого оборудования; закупка новых прожекторов; монтаж новых прожекторов;

В демонтаж старого оборудования входит: светильники (21 штука); крепления для светильников (21 штука);кабель силовой (303 метра)

Таблица 3.1 – Расценка работ

После демонтажа старого оборудования необходимо произвести закупку и установку новых прожекторов JX-SSL-D 100W.

Общая стоимость работ по замене штатного осветительного оборудования на новое встанет в 228 855 рублей.

Таблица 3.1 – Закупка и установка прожекторов

Таблица 3.5 – Итоговая стоимость

Окупаемость

Гимназия расходует на оплату электроэнергии наружного освещения территории 93278,0394 рублей в год. На установку нового осветительного оборудования потребуется 228 855 рублей.

Для расчёта окупаемости РР, лет, используется выражение [21]:

, (3.1)

где