Энергосберегающие технологии для автоматизации управления освещением в помещении с помощью датчиков

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Авдиевская А.В. 1

---

1МБОУ " СОШ № 18"

Скачков Н.Г. 1

---

1Центр детского научного и инженерно-технического творчества «Квант»

Работа в формате PDF

587.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее проблемных тем на территории России является модернизация освещения. Основная задача государственной политики в сфере энергосбережения и повышения энергетической эффективности - разумное и бережное использование энергетических ресурсов. Энергосбережение сегодня является одним из приоритетных направлений политики государства, которое ориентировано на динамичное развитие в плане снижения издержек. В последние несколько лет, на всех уровнях власти, были приняты программы по энергосбережению и энергоэффективности топливно-энергетических ресурсов, согласно которым каждая организация, предприятие, учреждение, муниципальное образование, местное население обязаны следовать этим программам для сохранения и рационального использования топливно-энергетических ресурсов и внедрения новых энергосберегающих технологий в нашу жизнь.

Проблема энергосбережения остро стоит в образовательных организациях нашего города из-за недостаточного финансирования и невозможности внедрения прогрессивных технологий. Освещение часто выходит из строя не только из-за старых электрических сетей, что приводит к перегоранию и выходу из строя ламп, но и из-за нерационального их использования.

Проблема

Эффективное использование энергосберегающих технологий учреждениями

Проблемы энергосбережения сегодня – одни из самых актуальных. Именно эффективное использование энергии позволит сократить ее расход, повысить энергетическую безопасность учреждений. Реализация проектов повышения эффективности использования энергетических ресурсов на объектах бюджетной сферы, в частности, установка автоматических датчиков, дает значительную экономию бюджетных средств. Проблема состоит не в отсутствии технических решений, а в отсутствии мотивации для реализации энергосберегающих мероприятий. Часть экономии бюджетных средств за счет повышения энергоэффективности должна оставаться в распоряжении бюджетной организации. Только тогда у них появится желание активно заниматься экономией энергоресурсов. Не дожидаясь финансовых потоков сверху на осуществление деятельности по энергосбережению, предлагаем начать с проведения организационных мероприятий по повышению энергоэффективности в бюджетных организациях. Первым шагом к сокращению расходов является установка датчиков движения и освещения. Эти датчики могут автоматически включать или выключать свет в кабинете в зависимости от присутствия людей и уровня освещенности. Такой подход не только сокращает расходы на электроэнергию, но и увеличивает срок службы ламп.

Экологическая (уменьшение выбросов в окружающую среду)

Автоматизация в каждом помещении помимо повышения комфорта и удобства может иметь значительное положительное влияние на окружающую среду. Все элементы искусственного освещения потребляют электроэнергию, за которую приходится отдавать деньги. Чтобы сэкономить средства и уменьшить негативное влияние на экологию, можно задуматься об автоматизации освещения. Это комплекс технологических решений, который поможет обеспечить необходимое количество света в определенное время и в конкретном месте. Используются таймеры, датчики присутствия, фотоэлементы. Именно они регулируют полную или частичную деактивацию осветительных приборов. Если людей нет в помещении, освещение будет отключаться. Также можно использовать плавную настройку яркости. 

Управление энергопотреблением и отслеживание потребления ресурсов — все это важные аспекты реализации экологической составляющей в системах автоматизации. Чтобы уменьшить негативное влияние на экологию, важно грамотно распоряжаться энергоресурсами.

Актуальность проекта

Проблема энергосбережения представляет особую актуальность, так как назрела необходимость внедрения автоматического освещения в кабинетах, классах, коридорах, зонах рекреаций образовательных и медицинских учреждений, бюджетных организаций. Современные организации сталкиваются с высокими затратами на энергопотребление и неэффективным управлением освещением. Ручное управление освещением часто приводит к излишнему расходу энергии и повышенным затратам.

Но также есть и финансовая составляющая: использование автоматических датчиков значительно снизит энергопотребление в школах и иных образовательных и бюджетных учреждениях, снизит расходы на эксплуатацию инженерных сетей и исключит перерасход электроэнергии в случае человеческого фактора, когда забывают отключать освещение.

Цель проекта

Цель нашей работы заключается в том, чтобы создать и предложить энергосберегающую и энергоэффективную модель освещения в помещении, убедиться в целесообразности использования автоматического устройства (фотореле) и датчика движения, помогающее создать комфортные условия пребывания в классах и кабинетах образовательных учреждений, и снизить расходы на потребление электроэнергии.

Для решения данной проблемы будут выполнены следующие задачи:

• изучить тренды энергосбережения

• ознакомиться с рынком энергосберегающих устройств

• проанализировать энергосберегающие устройства

• ознакомиться с тарифами на электроэнергию за последние 3 года

• предложить оптимизацию расходов электроэнергии в учреждениях Новомосковского района Тульской области

• изучить принцип работы фотореле;

• изучить принцип работы датчика движения;

• создать макет автоматического включения-выключения освещения в помещениях с помощью фотореле и датчика движения.

Предполагается дальнейшее развитие проекта: поиск потребителей, оптимизация устройства, разработка новых устройств, которые будут обеспечивать энергосбережение.

ГЛАВА 1. Тренды развития энергосберегающих технологий и анализ их рынка

Тренды энергосбережения

Все мировое сообщество ведет активную политику в области энергосбережения и повышения эффективности потребления природных ресурсов. Россия является одним из основных экспортёров энергоносителей, несмотря на это, значительно отстает от большинства развитых стран в области энергоэффективности.

Повышение энергоэффективности и энергосбережение для России – стратегическая необходимость, оказывающая влияние на экономическое развитие государства, уровень жизни населения и инновационное развитие общества. Вопросы эффективного использования энергии затрагивают практически все области деятельности. Анализ лучших международных практик в области энергосбережения продемонстрировал, что наибольший потенциал эффективного использования энергии находится в зданиях. В связи с этим, ведущие эксперты страны в области энергосбережения подготовили исследование энергоэффективности в секторе зданий в России, основная задача которого - выработка рекомендаций по внесению изменений в систему регулирования строительства и разработка мер по стимулированию повышения эффективности использования энергии. Результаты исследования показали, что российские здания обладают огромным резервом экономии энергии. Несмотря на это, нерациональное использование энергоресурсов может привести к тому, что к 2050 г. потребление энергии всеми зданиями вырастет более чем на 34%. Внедрение мер по повышению энергоэффективности в зданиях позволит сохранить огромное количество энергии.

Таким образом, политика в области энергосбережения, в том числе стимулирование и реализация мер по повышению энергоэффективности в зданиях является основополагающей задачей в формировании необходимого потенциала для развития энергетически безопасного государства и инновационного общества.

Потребление электроэнергии в Российской Федерации и Тульской области

В представленной таблице 1 видно, что после 1990 года объем потребляемой электроэнергии снижается. Максимальное снижение в целом по стране достигнуто в 1995 году, в Тульской области -в 2010 г., после чего показатели держатся примерно на одном уровне. Затем происходит небольшое увеличение объема электроэнергии: в РФ после 2005 года, в Тульской области после 2015 года.

Таблица 1. Потребление электроэнергии в Российской Федерации и Тульской области в 1990-2022 гг.

Рисунок 1. Потребление электроэнергии по данным Росстата в Тульской области

Рисунок 2. Потребление электроэнергии по данным Росстата в РФ

Рассмотрим график (1) потребления электроэнергии в Тульской области в 1990-2022 гг. Из графика видно, что после 1990 года имеется уверенная тенденция к снижению энергопотребления. За рассматриваемый период потребление электрической энергии на территории Российской Федерации характеризуется тенденциями, отражающими особенности социально-экономического развития регионов. Это связано, возможно, с более грамотным подходом к снижению энергозатрат, введению новых технологий и автоматизации, установкой счетчиков и т.д. Однако, в 2000-2020 гг. наблюдается некоторая стагнация в пределах небольших колебаний. И в последние два года мы видим небольшой рост. Небольшая отрицательная динамика потребления в 2020 г. обусловлена введенными ограничительными мерами в результате сложившейся эпидемиологической ситуации и падением мирового спроса на энергоресурсы. Существенный прирост потребления электрической энергии в 2021 г. связан с начавшимся восстановительным ростом экономики после отмены пандемийных ограничений. Это говорит о том, что необходимо снова принимать меры к снижению энергопотребления.

Немного иная ситуация в целом по стране (рисунок 2). Резкое и наибольшее снижение мы наблюдаем в 1995 году, после чего идет постепенное нарастание показателей объема потребляемой электроэнергии. В 2020 году (год пандемийных ограничений) видно, что рост объемов несколько затормозился, но не остановился.

Тарифы на электроэнергию в Тульской области за последние три года

Таблица 2. Тарифы на электроэнергию в Тульской области

Из таблицы 2 видно, что тарифы на электроэнергию в Тульской области постоянно растут, причем в последний год тарифы выросли почти на 9 %. Вряд ли динамика цен будет стремиться к снижению, ожидается очередное повышение тарифа на электроэнергию с 2024 года. Прогнозируется ставка 5,98 рублей за киловатт-час, что означает повышение на 8,9%.

Рынок энергосберегающих устройств

Рассматривая систему «умный дом для освещения», представленную на рынке товаров и услуг, можем сделать вывод о том, что установка датчиков движения и освещения в кабинетах гораздо выгодней, чем установка системы «умный дом». Стоимость датчика освещения необходимых показателей составляет примерно 250-400 рублей, датчика движения примерно 500-800 рублей, то есть установка обоих датчиков обойдется в сумму, не превышающую 750-1200 рублей.

ГЛАВА 2. Создание макета автоматического включения выключения света

Автоматика

Автоматика – отрасль науки и техники, которая охватывает теорию автоматического управления, а также принципы построения автоматических систем и технические средства, для реализации этих систем, этоотрасль науки и техники об управлении различными процессами и контроле их протекания, осуществляемыми без непосредственного участия человека.

Современное производство – непрерывное и поточное производство, с высокой скоростью протекания процессов. Все это требует быстродействия, точности и объективности управления процессами, что для человека становиться все более сложно. Кроме этого, на производстве еще достаточно много тяжелого ручного труда, который надо заменить на более легкий. Именно автоматизация технологических процессов позволяет выполнить задачи по защите человека и облегчения его труда.

Автоматизация – процесс совершенствования производства, характеризуемый, прежде всего, уменьшением потока информации от человека к машине и повышением самостоятельности различных уровней и звеньев управления.

В применении к любому производственному процессу степень автоматизации характеризуется частичным или полным освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций управления автоматическим устройствам. Автоматическими называют устройства, которые управляют различными процессами и контролируют их без непосредственного вмешательства человека. При этом не только высвобождается труд человека, но и повышаются скорость и точность выполнения операций, значительно возрастает производительность и улучшаются условия труда, а также возможна сравнительно быстрая окупаемость первоначальных затрат за счет снижения эксплуатационных расходов и повышения объема и качества выпускаемой продукции. Автомат – любое техническое устройство, которое может работать самостоятельно, без постоянного вмешательства человека.

Автоматическое управление системой освещения в помещении

Автоматическое освещение широко используется как в больших частных домах, так и в городских квартирах, а также в производственных помещениях, офисах и гостиницах. Преимущества технологии:

Сокращение затрат на коммунальные услуги за счет снижения потребления электроэнергии.

Простая и понятная система управления освещением, с которой справится любой сотрудник человек.

Еще пятьдесят лет назад, только эти функции и выполнялись, об экономии электроэнергии никто не заботился, а решение более сложных задач было трудно реализуемо и затратно. Современные системы управления освещением более функциональны, они дополнительно умеют многое.

Методы управления освещением

Существует три метода управления освещением:

Ручное управление:

Включение освещения производится вручную. По сути, это самый старый способ.

Дистанционное управление:

Ответственное лицо, определив, что в здании достаточно стемнело или рассвело, включает или выключает рубильник, подающий напряжение на сети освещения.

Автоматическое управление:

В этом случае, отдельные участки освещения, в зависимости от состояния датчиков и заложенного алгоритма, включаются и выключаются сами.

Мы же рассмотрим автоматическое управление освещением в помещении с помощью фотореле и датчика движения.

Фотореле и принципы их работы

Фотореле представляют собой разновидность электронных приборов, которые предназначены для дистанционного контроля и управления разнообразными исполнительными устройствами малой и средней мощности. Достоинства современных фотореле (как устройств) — это компактность и простота настройки, поэтому подобная аппаратура широко используется в промышленности и быту.  В частности, они управляют системами включения и защиты крупного металлообрабатывающего оборудования (листоштамповочных прессов, сварочных автоматизированных комплексов или радиально-сверлильных станков), используются для контроля внешнего освещения и тому подобное.

Принцип работы фотореле

Весь принцип работы реле на основе фотоэффекта сводится к тому, что при недостаточном числе проходящих лучей света случается замыкание контактов. В конечном итоге происходит включение уличного освещения.

Для нормальной работы фотореле необходимо чтобы напряжение на источнике тока было на 30% выше, чем на самом реле.

Фотопроводящий датчик не вырабатывает электричество, а просто изменяет свои физические свойства при воздействии энергии света. Наиболее распространенным типом фотопроводящего устройства является фоторезистор, который изменяет свое электрическое сопротивление в ответ на изменения интенсивности света.

Фоторезисторы — это полупроводниковые устройства, которые используют энергию света для управления потоком электронов и, следовательно, током, протекающим через них. Обычно этот элемент называется светозависимым резистором или LDR.

Датчик движения: принцип работы

Датчик движения для освещения — индикатор, предназначенный для определения факта присутствия человека в зоне действия и подачи напряжения на лампу. Устройство управляет системой освещения или защиты, подающие команду при появлении движения в зоне ответственности. Их предназначение – обеспечение своевременного реагирования на передвижение тела, излучающего тепло, свет. Объемные датчики реагируют на перемещение предмета или тела, от которого исходит инфракрасное излучение.

Изделия бывают нескольких видов — потолочные, настенные и для скрытого монтажа. Датчики делятся на бытовые и для уличного освещения. Каждый тип датчика имеет особенные требования по его установке и монтажу. Оптимальный вариант – крепление на высоте не менее 2 метров от пола на специальный кронштейн, который входит в комплект поставки. В некоторых случаях допускается крепление объемника прямо на стену.

При всем многообразии видов детекторов движения: инфракрасные, микроволновые, ультразвуковые и комбинированные, нам больше подходят инфракрасные датчики, так как являются самыми безопасными для людей и животных, не испускает вредных излучений. К преимуществам также относится настройка дальности и угла срабатывания и относительно невысокая стоимость.

Изделия чувствуют тепло, излучаемое человеческим телом. Основным элементом является сенсор с установленной на него линзой Френеля, реагирующий на приближение тепла и перемыкающий контактную группу.

Принцип действия:

- излучение фокусируется в узкий луч света и направляется к датчику;

- сенсор улавливает сигнал, принимает его и дает команду на срабатывание.

Такие устройства условно делятся на пассивные и активные. В первом случае реагирование происходит на изменение температурного режима, а во втором – срабатывание происходит в случае прерывания сигнала.

К недостаткам относится вероятность ошибочного срабатывания при наличии обогревателя в помещении, что требует долгой и точной настройки.

Процесс создания модели автоматического включения-выключения освещения в помещении.

Для работы нам понадобится:

- фотореле;

- датчик движения;

- светодиодная лампа;

- патрон;

- изолента;

- провода для удлинения;

- шнур для подключения к розетке (220 В)

Наша схема должна работать при условии нахождения в помещении людей в темное время суток.

Заземляющий провод, идущий от щитка, соединяем с проводом, идущим к лампочке. Нулевой провод от щитка соединяем с нулевым проводом от лампочки, с нулевым проводом от датчика движения и с нулевым проводом от фотореле. Фазный провод от щитка соединяем с фазным проводом фотореле (для того, чтобы датчик освещенности среагировал первым). На проводе появляется фаза, которую подадим на фазный провод датчика движения (соединяем). На выходе провода датчика движения появляется фаза и этот провод соединяем с фазным проводом, идущим на лампочку. Устройство успешно работает, лампочка включается через 1-2 секунды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автоматическое управление в освещении помещений поможет сэкономить электроэнергию, сделать более комфортным пребывание людей в кабинетах, в том числе уменьшить число выбросов в окружающую среду.  Работы по энергоэффективному освещению требуют дополнительных затрат, но в перспективе они оправдывают себя.

Работая над данной проблемой, мы изучили источники информации по истории развития автоматики, сравнили методы управления уличным освещением, проанализировали современные источники освещения, изучили принцип работы фотореле, принцип работы датчика движения, провели мониторинг потребления электроэнергии в Тульской области за последние 20 лет. Мы предложили собственную модель освещения, которая показала, какой вид освещения лучше с энергосберегающей точки зрения и также поможет избежать ошибок при дистанционном управлении освещением. Мы пришли к выводу, что будем рекомендовать оснащение света в помещении датчиком освещения – фотореле и датчиком движения, как экономически выгодное, позволяющее снижать энергопотребление и увеличивать комфортность пребывания в зоне их использования во время нахождения людей в помещении.

Список использованных источников и литературы

1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике: Книга для учителя. – М.: Просвещение, 1985.- 194 с.

2. Лихачев А.В. Конспект лекций по дисциплине «Автоматика». – С.: Санкт-Петербургский гос. агр. университет, 2014

3. Пронин А.И., Щелкунов Е.Б. Теория автоматического управления: Учебное пособие. – К.: Комс. гос. тех. университет, 2015. – 110 с.

4. Родионов В.Г. Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. – М.: ЭНАС, 2010. – 348 с.

5. Проблемы существующих систем уличного освещения и пути их решения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://svetpro.ru/uchebnik-svetotexniki/ulichnoe-osveshhenie/problemyi-sushhestvuyushhix-sistem-ulichnogo-osveshheniya-i-puti-ix-resheniya.html

6. Фотореле: устройство, назначение и виды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.elektro.ru/articles/fotorele-ustroystvo-naznachenie-i-vidy/

7. Что такое фотореле и его функции [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://howelektrik.ru/elektrotehnika/rele/chto-takoe-fotorele-i-ego-funkcii.html#prettyPhoto

8. Энергосбережение. Эффективность использования энергоресурсов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://extxe.com/16499/jenergosberezhenie-jeffektivnost-ispolzovanija-jenergoresursov/