Дипломная работа: Разработка беспроводной системы автоматического управления фотоэлектрической станции в лаборатории

Содержание

Введение………………………………………………………………..………... 8

1 Обзор фотоэлектрических станций …………………………………………
1.1 Постановка задачи……………………………………………………….. 8
1.2 Разновидности фотоэлектрических станции ………………………….. 8
1.3 Сравнительный анализ фотоэлектрических станции ………….……..
1.4 ФЭС УНЛ «Энергосбережения и нетрадиционных
возобновляемых источников энергии»……………………………….... 15
1.5 Гелионавигационная установка………………………………………… 18
2 Обзор беспроводных технологий передачи данных ……………………...
2.1 Беспроводные технологии передачи данных …………………………. 21
2.2 Сравнительный анализ беспроводных технологий ………….………... 36
3 Разработка беспроводной САУ фотоэлектрической станции в
лаборатории «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» в LabviewRealTime …………………………………..
3.1 Функциональная схема автоматического управления
гелионавигационной установки ………………………………………..
3.2 Структурная схема беспроводной САУ ФЭС…………………………. 41
3.3 Описание среды графического программирования LabVIEW……….. 42
3.4 Программа управления ГНУ……………………………………………. 46
3.5 Обзор оборудования Zigbee……………………………………………. 53
3.6 Интерфейс беспроводного управления ФЭС в лаборатории
«Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии»………………………………………………………………….
4 Безопасность жизнедеятельности…………………………………………...
4.1 Анализ условий труда сотрудника учебно-научной лаборатории
«Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые
источники энергии »…………………………………………………….. 65
4.2 Расчет защиты от электромагнитных полей …………………………..
4.3 Организация рабочего места инженера-программиста ……………

4.4 Вывод по разделу безопасность жизнедеятельности…………………. 73
5 Технико-экономическое обоснование……………………………………… 75
4.1 Технологическое описание процесса…………………………………... 75
4.2 Определение затрат в системах автоматизации ……………………....
4.3 Вывод технико-экономического обоснования………………………… 84
Заключение……………………………………………………………………... 85

Перечень сокращений………………………………………………………….
Список литературы…………………………………………………………….. 87
Обзор фотоэлектрических станций
Постановка задачи
Тема дипломного проекта: «Разработка беспроводной системы
автоматического управления фотоэлектрической станцией в лаборатории
«Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии».
Цель дипломного проекта заключается в разработке беспроводной
системы автоматического управления фотоэлектрической станцией в учебно-
научной лаборатории «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые
источники энергии» с применением технологии Zigbee в среде графического
программирования Labview.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
- Провести аналитический обзор фотоэлектрических станции (ФЭС).
- Изучить лабораторную установку ФЭС АУЭС.
- Провести обзор и сравнительный анализ беспроводных технологий.
- Изучить беспроводную технологию ZigBee.
- Провести сравнительный анализ беспроводных модулей Zigbee .
- Разработать беспроводную САУ ФЭС на базе технологии ZigBee и ее
программирование в среде графического программирования Labview:
1) разработать структурную схему беспроводной САУ ФЭС АУЭС;
2) выбрать оборудование беспроводной САУ;
3) разработать программу управления гелионавигационной
установкой;
4) разработать интерфейс беспроводной САУ.
- Решить вопросы по разделу безопасности жизнедеятельности.
- Решить вопросы раздела технико-экономического обоснования.

1.2 Разновидности фотоэлектрических станции
Солнечная электростанция–это промышленное инженерное
сооружение, которое используется для преобразования энергии солнечного
излучения в электрический ток. Разработки по теме солнечной
электростанции, как одному из перспективных, экологически чистых и
возобновляемых способов получения энергии ведутся во многих странах
мира, начиная с 80-х годов ХХ века. В Казахстане солнечная энергетика пока
находится на начальном этапе своего развития.
Разновидности солнечной электростанции.
По способу получения электрической энергии различают два вида
солнечной электростанции:
Термодинамические солнечные станции – процесс выработк
электрической энергии состоит из последовательных этапов преобразования
накопленного солнечного излучения в тепловую и только затем в
электрическую энергию.
Фотоэлектрические станции – вырабатывают электрический ток
на основе технологии фотоэлектрической электрогенерации.[5]
Фотоэлектрические станции (ФЭС) – это автономные системы
энергопитания, работающие на основе возобновляемой энергии солнца.
Пиковая мощность солнечных установок зависит от комплекса
фотоэлектрических преобразователей и мощности солнечной радиации в
данной местности. Энергия фотоэлектрической системы может быть
использована для бесперебойного энергообеспечения объектов в качестве
автономной или резервной системы, а также для различных типов
энергосберегающего освещения. Солнечная фотоэлектрическая станция
работает на солнечных панелях, преобразовывая солнечную энергию в электрическую.
Электрическая энергия, вырабатываемая солнечными
панелями в течение светового дня, заряжает аккумуляторы, из которых по
мере необходимости электроэнергия используется устройствами потребления
постоянного тока в любое время суток. При необходимости подключения
устройств, работающих от переменного тока, в системе используется
инвертор.
На рисунке 1.1 представлена упрощенная схема устройства ФЭС.
Рисунок 1.1 - Упрощенная схема устройства ФЭС
Обозначения на рисунке 1.1:
Фотопанель(Ф)-устройство приема солнечных лучей и
преобразования их в электрическую энергию.
Аккумуляторная батарея (А) – АКБ. В аккумуляторе накапливается
энергия, выработанная солнечным модулем. Во многих случаях необходимо,
чтобы электроприборы и оборудование работали и при отсутствии света.
Наиболее приемлемы для этой цели свинцово-кислотные и щелочные АКБ.
Контроллер – (К) предназначен для управления режимами заряда-
разряда АКБ. Он отключает солнечные модули от АКБ при ее полной
зарядке, предотвращая выкипание электролита, а также отключает нагрузку
по достижении АКБ установленной глубины разряда.
Инвертор (И) – предназначен для преобразования постоянного
напряжения 12 В в переменное напряжение 220 В.
Существуют 3 основные конфигурации солнечных фотоэлектрических
систем электроснабжения:
Автономная фотоэлектрическая система является полностью
независимой от сетей централизованного электроснабжения. Данная
система состоит из солнечной панели, контроллера, аккумуляторной
батареи, кабелей, электрической нагрузки и поддерживающей структуры.
Поскольку солнечные энергосистемы могут производить электроэнергию
только в дневное время при свете солнца, то возникает насущная
необходимость запасать эту электроэнергию для обеспечения
круглосуточного ее потребления. Для этого к системе подключают
аккумулятор. Даже при значительном удалении объектов
электропотребления и неблагоприятных погодных условиях,
электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторах, позволяет запитывать
необходимое электрооборудование в любое время суток. Солнечные
модули вырабатывают, как правило, постоянный ток напряжением 12 В.
Некоторые электроприборы приспособлены к работе от постоянного тока в
12 В. Однако, основная часть бытовой техники и оборудования использует
для работы переменный ток напряжением 110 или 220 В. В этом случае
система должна содержать преобразователь постоянного тока в
переменный, так называемый, инвертор. В процессе преобразования
некоторое количество энергии теряется, зато инвертор позволяет
использовать энергию Солнца также, как и обычную электроэнергию от
сетей коммунального электроснабжения, для питания осветительных
приборов, работы телевизоров, холодильников, компьютеров, в общем
всего того, без чего немыслима жизнь современного человека.
Не соединенные с сетью системы, помимо независимости от сетей
центрального электроснабжения (повышения тарифов на электроэнергию,
аварий в сетях, недостатка напряжения и т. д.) имеют и другие не сомненные
преимущества. Возможно постепенное увеличение мощности автономной
энергосистемы путем добавления модулей и замены инвертора, либо
добавлением еще одного. Конечно, это увеличит стоимость всей системы,
поэтому необходимо правильно спроектировать систему для обеспечения
оптимального баланса между стоимостью и энергопотреблением,
удовлетворяющим все потребности заказчика.
Использование для электрообеспечения собственной автономной
системы сопряжено с определенными проблемами. Основной недостаток
автономных систем, это, прежде всего, более высокая стоимость
производимой электроэнергии. В состав автономной системы входит
аккумулятор, который не только требует регулярного профилактического
обслуживания, но и периодической замены раз в 5-10 лет.
Полностью автономные энергосистемы имеют более низкую
эффективность, поскольку размер фотоэлектрических модулей рассчитан на
получение требуемого потребителем количества электроэнергии в зимнее
время, что означает ее перепроизводство летом. Избыток произведенной
электроэнергии в таком случае должен быть использован, иначе он просто
пропадет, так как солнечная батарея отключается при полной зарядке
аккумулятора. Чтобы использовать избыточно произведенную энергию,
многим владельцам автономных станций приходится подстраиваться под
работу своей фотоэлектрической системы в зависимости от погодных
условий, например, включать дополнительные электрические нагрузки в
середине дня, что сопряжено с дополнительными неудобствами для хозяев. На
рисунке 1.2 представлена схема автономной фотоэлектрической
энергосистемы.
Рисунок 1.2 - Схема автономной фотоэлектрической энергосистемы
Батарейная соединенная с сетью фотоэлектрическая
система похожа на автономную систему. Состав фотоэлектрических систем,
соединенных с коммунальными сетями и содержащих резервные
аккумуляторы следующий: солнечные панели, контроллер заряда
аккумуляторных батарей, инвертор, аккумуляторные батареи (АБ), сеть,
электрической нагрузки, поддерживающая структура.
В ней также используются аккумуляторные батареи, но такая система одновременно
подключена к сетям централизованного электроснабжения. Поэтому излишки,
генерируемые солнечными батареями могут направляться в нагрузку или сеть
(для этого необходимы специальные инверторы, которые могут работать
параллельно с сетью, их часто называют "гибридными"). Если потребление
превышает генерацию электричества солнечными батареями, то недостающая
энергия берется от сети. Некоторые модели таких инверторов с зарядными
устройствам могут давать приоритет для заряда аккумуляторов от источника
постоянного тока (например, солнечного контроллера), тем самым снижая
потребление энергии от сети для заряда аккумуляторов.
Существует разновидность батарейной соединенной с сетью системы, в
которой вместо контроллеров заряда солнечных батарей применяются сетевые
фотоэлектрические инверторы, соединенных к выходу ББП (Блок
бесперебойного питания). Такую возможность имеют всего несколько
моделей ББП, но общая эффективность системы за счет применения сетевых
фотоэлектрических инверторов может быть намного выше, чем при
применении контроллеров заряда АБ. На рисунке 1.3 представлена схема
батарейной соединенной с сетью фотоэлектрической системы.
Рисунок 1.3 - Схема батарейной соединенной с сетью фотоэлектрической
системы

3. Безаккумуляторная соединенная с сетью фотоэлектрическая
система является самой простой из всех систем. Соединенные с сетью
солнечные фотоэлектрические системы состоят из: солнечных панелей,
инверторов, сети, нагрузки, кабелей и поддерживающей структуры.
В этом случае фотоэлектрическая система обеспечивает лишь часть
требуемой нагрузки, остальное поступает из сети. Такие системы – наиболее
распространенный во всем мире тип автономной солнечной системы,
обладающий значительными преимуществами в сравнении с по лностью
автономной фотоэлектрической системой. Благодаря наличию солнечной
системы закупается меньше электроэнергии из центральной сети, такая
система экологична и не загрязняет окружающую среду, не нуждается в
невозобновляемых источниках энергии, таких как нефть, газ, уголь. Владелец
подобной системы может ежемесячно продавать излишки вырабатываемой
электроэнергии, либо использовать ее для собственных нужд. Если же,
наоборот, владелец нуждается в большем количестве энергии, чем
вырабатывает его система, например, по вечерам, либо в праздничные дни, то
владелец ее получает из сети. Таким образом, сеть является таким же
резервным источником энергии для автономной системы с подключением к
сетям, как аккумулятор для полностью автономной системы. В некоторых
странах государство обязывает коммунальные электросети покупать излишки
электроэнергии у независимых производителей солнечной энергии,
стимулируя тем самым развитие и распространение солнечной энергетики.
Инвертор, применяемый в таких системах, должен соответствовать всем
необходимым критериям безопасности. В случаях сбоя в фотоэлектрической
системе аварийные выключатели автоматически отключают автономную
систему от коммунальной сети. Ток, подаваемый в сеть, после преобразования
в инверторе должен совпадать по напряжению и частоте току в сети.
Электроэнергия, вырабатываемая автономными солнечными
электростанциями, особенно если учесть стоимость установки и подключения,
пока еще стоит дороже, чем электроэнергия из сети. В некоторых странах,
например, в США, действует система пиковых тарифов, согласно которой
сетевое электричество стоит дороже в определенные часы суток. Одним из
путей снижения счетов за электроэнергию является преимущественная
выработка электроэнергии солнечными модулями в период таких пиковых
тарифов.
Солнечные системы, соединенные с сетью, пользуются все
возрастающей популярностью в США и Европе. Так, в г. Комптон в
Калифорнии на крышах двенадцати домов установлены фотоэлектрические
модули, не только вырабатывающие электроэнергию, но и являющиеся
частью архитектурного решения зданий, неотъемлемым элементом их
дизайна. Так как солнечные крыши подключены к центральной сети,
выработка избытка электроэнергии заставляет вращаться электросчетчики в
обратном направлении.
Есть у таких систем и недостатки. В отличие от полностью автономной
системы, Вы будете иметь меньше стимулов для использования
энергоэффективных приборов, меньше будете экономить энергию. Схема
безаккумуляторной соединенной с сетью фотоэлектрической системы
представлена на рисунке 1.4.....