Дипломная работа: Разработка энергосберегающей системы с использованием альтернативных источников энергии
Министерство
образования Республики Беларусь
Учреждение
образования «Гомельский государственный дорожно-строительный техникум имени
Ленинского комсомола Белоруссии»
Специальность:
2400202
Пояснительная
записка к дипломному проекту
НА ТЕМУ: «Разработка энергосберегающей
системы с использованием альтернативных источников энергии»
Разработал учащийся: И.С. Симоненко
Руководитель дипломного проекта: Д.С.
Минин
Руководитель цикловой комиссии:
Кривицкий А.В.
Руководитель экономической части:
Исакович О.В.
Гомель
2007
Содержание
Введение
1. Расчётно-проектировочный раздел
1.1 Назначение и область применения
устройства
1.2 Разработка структурной схемы
1.3 Разработка функциональной схемы
1.4 Разработка принципиальной схемы
1.4.1 Расчёт узлов и блоков
1.4.2 Выбор элементной базы
1.4.3 Описание принципа действия (схемы
1.4.4 Расчёт потребляемой мощности
2 Конструкторско-технологический
раздел
2.1 Разработка печатной платы
2.2 Выбор способа изготовления
печатной платы
2.3 Компоновка устройства
2.4 Поиск и устранение неисправностей
3 Экономический раздел
4 Охрана труда
5 Энерго- и материалосбережение
6 Охрана окружающей среды
Заключение
Список используемых источников
Приложения
Введение
Разработка дипломного
проекта является завершающим этапом обучения в техникуме, который показывает,
какого уровня специалист подготовлен в результате обучения. Это сложная
многогранная работа, требующая проявления знаний во всех дисциплинах, изученных
во время учебы в техникуме. Дипломный проект должен отражать направленность
обучения и быть применим в процессе обучения следующих поколений учащихся.
При существующем уровне
научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет
использования органического топлива (уголь, нефть, газ) и атомной энергии,
относящихся к невозобновляемым источникам энергии. Однако, по результатам
многочисленных исследований органическое топливо к 2020 году может
удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть
энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии
солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана,
энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев,
битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков, относящихся к
нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии. Одним из наиболее
используемых нетрадиционных источников энергии является ветровая энергия.
Потенциальные возможности ветровой энергии в год составляют 1% от годовой
солнечной энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра составляет примерно 82 триллиона киловатт-часов в год. Если даже
использовать хотя бы 10% (что вполне реально и экономически оправдано) этой
энергии, то это примерно равно количеству электроэнергии вырабатываемой на всем
Земном шаре. К стратегическим целям использования ветровых источников энергии
являются:
1. Сокращение потребления
невозобновляемых ресурсов.
2. Снижение экологической
нагрузки.
3. Увеличение числа
децентрализованных потребителей.
4. Обеспечение
децентрализованных потребителей.
5. Снижение расходов на
дальнепривозное и сезонное топливо.
Необходимость развития
ветровой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:
1. Обеспечение
устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах
децентрализованного энергоснабжения.
2. Обеспечение
гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах
централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение
ущербов от аварийных и ограничительных отключений.
3. Снижение вредных
выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной
экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения.
Известно, что основной
причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной
поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса
обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой.
Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины
осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций, в той
или иной степени связанных друг с другом. В северном полушарии постоянные ветры
приходят с северо-востока, в южном с юго-востока. Средняя скорость
юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8
м/сек. Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней
интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от
3,5 до 6 м/сек. Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте
превышают 7 м/с.
Для преобразования
ветрового потока в электрическую энергию используют ветродвигатели в соединении
с электрогенератором – ветроэнергетические установки или ветрогенераторы.
Принцип действия всех ветрогенераторов один: под напором ветра вращается
ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу
ветрогенератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу или
электрогенератору. Чем больше диаметр ветроколеса ветрогенератора, тем больший
воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает ветрогенератор.
На земле еще не мало
мест, куда не дошла электроэнергия по столбам и подземным кабелям. В таких
местах обычно стоят дизельные или бензиновые двигатели и вырабатывают
электроэнергию. Эти установки превращают в дым тысячи тонн дизельного топлива
или бензина, а вырабатываемая ими электроэнергия получается разы и десятки разы
дороже электроэнергии вырабатываемой крупными электростанциями. Большинство
таких мест имеют довольно высокий ветровой потенциал, и применение автономных
ветрогенераторов совместно с тепловыми двигателями дало бы существенную, достигающую
до 90%, экономию углеводородного топлива.
Главным преимуществом
автономных ветрогенераторов является возможность вырабатывания электроэнергии
вне зависимости от сети. В целом, ветрогенераторы работают подобно
дизель-электростанциям, только не сжигают топлива.
У ветрогенератора
классического типа есть ряд особенностей: ветроколесо расположена за башней
ветрогенератора относительно ветра. Ветроколесо ветрогенератора автоматически
разворачивается относительно ветрового потока так, чтобы оптимальным путем
использовать его энергию, а поворотом лопастей поддерживается постоянные
обороты во всем рабочем диапазоне скоростей ветра. С помощью применения таких
технических решений и инноваций в наших ветрогенераторах, нам удалось достигнуть
практически предельных значений коэффициента использования ветровой энергии ветро-энергетическими
установками.
1
Расчётно-проектировочный раздел
1.1
Назначение и область применения
В настоящее время, когда
потребителей энергии становится всё больше и больше, технологии становятся на
путь понижения потребляемой мощности и увеличиваются разработки альтернативных
источников энергии не загрязняющих окружающую среду. Сейчас можно увидеть
ветряные электрогенераторы, использующие энергию ветра и преобразующие её в
электрическую; биологические электростанции которые преобразуют энергию разложения
органический веществ в электрическую. Но иногда когда энергии таких источников
не хватает, и чтобы не было перебоев и скачков напряжения, то приходится
переключаться на питание от стационарной сети. Для этих целей и предназначена
тема моего исследовательского диплома.
Данное устройство
предназначено для работы в составе ветряной электростанции средней мощности.
Устройство реагирует на изменение напряжения на генераторе и, когда его не
хватает, для питания потребителей переключает их на стационарную сеть. Также
данное устройство реагирует на изменения тока протекающего в цепи нагрузки:
когда ток в цепи нагрузки увеличивается до максимального тока, который может
дать генератор, устройство переключает потребителей на стационарную сеть. И
переключается обратно на генератор при восстановлении контролируемых
параметров.
Данное разрабатываемое
устройство предназначено для работы в различных бытовых и стационарных
условиях. Оно способно работать в широком диапазоне температур и способно
коммутировать цепь с сетевым напряжением 230В и током в 28А, эти параметры
максимальные, которые может выдавать генератор СГВМ16-У1 в течении длительного
времени, по индивидуальному заданию.
1.2
Разработка структурной схемы
Структурная схема
определяет основные части изделия и связи между ними. Она лишь в общих чертах
раскрывает назначение устройства и его функциональных частей и блоков,
определяет основные части устройства и служит лишь для общего ознакомления с
изделием.
Составные части
проектируемого устройства изображаются упрощённо в виде прямоугольников
произвольной формы и внутри каждого указывается наименование блока, узла.
Структурная схема
разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате
А1.
В основе данного
устройства находится устройство сравнения. Оно следит за напряжение на
генераторе и величиной тока в цепи нагрузки; и сравнивает их с эталонными или
опорными значениями, которые также можно подбирать в небольших пределах. Для
работы устройства требуется датчик напряжения на генераторе. Он предназначен
для слежения за генератором: когда напряжение достаточное для питания
потребителей, устройство подключает потребителей к генератору, а когда
напряжение падает и его не достаточное для питания, то устройство переключает
потребителей на стационарную сеть. Также для данного разрабатываемого
устройства требуется датчик тока. Он следит за током в цепи потребителей: когда
ток потребления увеличивается, и генератор не способен поддерживать стабильный
режим работы, то устройство также переключает потребителей на стационарную
сеть; и обратно, если ток падает и с генератора способен давать энергию без
перебоев.
Блок опорного напряжения
предназначен для задания эталонных значений контролируемых параметров и
подстройки, устройства управления блоком переключателей, на точный режим работы
и под конкретные значения максимального тока и напряжения которые может
поддерживать генератор в условиях длительного времени работы. Блок индикации
предназначен для контроля работы за устройством управления и источника питания
потребителей: сеть или генератор. Блок питания, для запитывания разрабатываемого
устройства подключён выходу устройства, т.к. на выходе устройства напряжение
есть всегда, или от генератора или от сети.
1.3
Разработка функциональной схемы
Для работы разрабатываемого
устройства потребуется два датчика: датчик тока, для контроля потребителей; и
датчик напряжения, для контроля генератора. Датчик напряжения: пропорционально
уменьшает выходное напряжение генератора, для возможности его сравнения его с
опорным напряжением. Это напряжение находится в районе 1 – 1,5В. Датчик тока:
преобразует определённую величину тока в соответствующее напряжение на его выходе,
для сравнения со вторым опорным напряжением . Это напряжение, при максимальном
значении тока в цепи, находится в районе 1В.
На устройство управления
подается опорное напряжение для сравнения с подаваемым напряжением, взятое с
датчика напряжения. Одновременно с этим напряжением на устройство сравнения
подаётся второе опорное напряжение для сравнения с напряжением, взятым из
датчика тока.
Блок переключателей
подключён к блоку управления с помощью оптронов, для гальванической развязки
высокого напряжения сети с низкими напряжениями в основной схеме.
Блок индикации совмещён с
устройством управления и показывает, что происходит в определённые моменты
времени: нет напряжения на генераторе, большой ток в цепи потребления,
нормальный режим работы, работу блока питания.
1.4
Разработка принципиальной схемы
1.4.1
Расчёт узлов и блоков
Принципиальная схема
разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате
А1.
Для работы устройства
сравнения требуется опорное напряжение не высокого потенциала. Первое опорное
напряжение берётся со светодиода, ток через которые стабилизируется полевым
транзистором. Для корректного зажигания светодиода требуется ток в 10мА, тогда
на нём выделяется напряжение 2В. Конкретный транзистор для стабилизации тока
выбирается по сток-истоковой вольтамперной характеристике. Второе опорное
напряжение берётся из такой же конструкции, но вместо светодиода в истоковую
цепь обычный диод. В данном случае ГД508А: падение напряжения на диоде 0,7В при
токе в 10мА, что позволяет использовать одинаковые транзисторы в двух
источниках опорного напряжения. Исходя из вышеописанного, и после сравнения
сток-истоковых характеристик, мною выбран транзистор КП303А, у него наблюдается
не значительное изменение тока стока в диапазоне 7 – 15В.
Блок переключателей
выполнен на симисторах включённых по стандартной схеме включения, и со
стандартными наборами подключаемых элементов. Симисторы должны выдерживать
максимальное действующее напряжение в схеме и максимальный расчётный ток:
Umax = √2 ∙ 230 = 322 В;
Imax = 30 А.
Блок, содержащий в себе
датчик напряжения, выполнен на основе резисторного делителя напряжения,
подключённого к выпрямителю. От выпрямителя не требуется больших мощностей,
т.к. он практически не несёт нагрузки, ток выпрямления настолько мал, что сюда
подойдут практически любые диоды способные выдержать напряжение сети 220В.
Резисторы делителя выбираются отталкиваясь от опорного напряжения в 2В.
Делитель состоит из трёх резисторов токоограничивающего, подстроечного и
ограничительного. Они все рассчитываются на основе закона Ома:
Rто = U / I,
примем величину
протекающего в делителе тока 2мА, тогда общее сопротивление делителя будет:
Rобщ = 230 / 0.002 = 115000 (Ом) ≈
120кОм, величина сопротивления с которого будет сниматься контролируемое
напряжение будет составлять (по закону Ома):
R = 2 / 0.002 = 1000 (Ом) ≈
1кОм.
Параллельно с ним включён
конденсатор ёмкостью 1мкФ для сглаживания пульсаций на выходе датчика.
Блок датчика тока
выполнен на основе резистора очень маленького сопротивления из-за того, чтобы
не вносить потерь в цепь питания потребителей. Для того чтобы напряжение на
выходе этого датчика было постоянным резистор включён в разрыв цепи диодного
моста, который включён последовательно с потребителями. Данное включение
диодного моста позволяет добиться минимальных потерь в цепи питания и
материальных затрат компоненты. Данный диодный мост должен выдерживать
максимальный ток в цепи (28А) и напряжение сети (230В). Сопротивление резистора
с которого снимается напряжение сравнения 0,7В при максимальном протекающем в
цепи токе 28А (по закону Ома):
RД = 0.7 / 28 = 0.025 (Ом),
РД = U ∙ I =
0.7 ∙ 28 = 19.6 (Вт) ≈ 20Вт.
Такой резистор можно
составить из четырёх отдельных резисторов сопротивлением 0,1Ом и мощностью 5Вт.
Для сглаживания пульсаций напряжения, параллельно с этим резистором включён
конденсатор ёмкостью в 1мкФ.
Блок устройства управления
состоит из двух операционных усилителей включённых в качестве компараторов. Для
ограничения тока, оптронов и светодиодов включённых попарно, и для стабильной
их работы сопротивления резисторов (по закону Ома):
Rн = 4 / 0,01 = 400 (Ом),
резистор выбираем из
стандартного набора, сопротивлением 470Ом. Переключающий транзистор выбирается
из маломощных способных выдержать данный ток транзисторов, имеющих относительно
не дорогую стоимость, а также обладающих хорошей помехозащищённостью.
Блок питания состоит из
параметрического стабилизатора напряжения со стандартным набором деталей. А так
как мощность потребляемая устройством не выходит за пределы 40 мА, то
стабилизатор должен быть рассчитан на данный ток.
1.4.2
Выбор элементной базы
Любое устройство вычислительной техники на низшем
конструктивном уровне содержит следующие элементы: микросхемы, полупроводниковые
приборы, резисторы, конденсаторы, коммутационные элементы и так далее.
Выбор конкретных
элементов для построения проектируемого устройства производится после анализа
множества взаимосвязанных факторов. Всю совокупность факторов, влияющих на
принятие решения, можно разбить на группы по следующим признакам:
¾ назначение и область применения
проектируемого устройства;
¾ заданные электрические
характеристики, такие как рабочий диапазон частот, ограничение на потребляемую
мощность, точность и стабильность характеристик и тому подобное;
¾ условия эксплуатации: климатические
и механические воздействия, квалификация обслуживающего персонала и тому
подобное;
¾ конструктивные показатели: требуемая
надежность, ограничения на габаритные размеры и массу, заданные тепловые
режимы, механическая прочность и так далее;
¾ уровень развития и наличие
элементной базы, возможности ее применения в данной конструкции;
¾ организационно-производственные
показатели: сроки, отведенные на конструирование, размер партии, серийность
выпуска.
Сделав, анализ
приведенных выше групп факторов с учетом состояния современного мирового уровня
развития микроэлектронной и вычислительной техники, произведем выбор микросхемы
и радиоэлектронных элементов разрабатываемого устройства. На основе выбора компонентов
будем разрабатывать печатную плату.
Выбор компонентов будем
производить из распространённых на рынке радиодеталей. Все резисторы МЛТ, кроме
резистора для датчика тока он требуется большой мощности и обладающий
повышенной жаро- и огнестойкостью. И поэтому я остановился на выборе недорогого
резистора SQP-5W-0.1±5%. Конденсаторы оксидные типа К50-6. Транзисторы: в
блоке опорного напряжения выбирается КП303А, по сток-истоковой вольтамперной
характеристике, а в блоке управления транзистор КП501А. Диоды: в блоке датчика
напряжения КД105Б, в блоке датчика тока КД2958А, стабилитрон в блоке питания
Д814А рассчитанный на напряжение питания устройства 8 – 9В. В блоке
переключателей симисторы BTA41-600
(400B, 40A). Микросхема LM358N или советский аналог КР1040УД1А.
1.4.3
Описание принципа действия
Разрабатываемое мной
устройство работает следующим образом:
На устройство управления,
состоящее из двух компараторов, подаются два опорных напряжения и два
напряжения с датчиков. На компаратор DA1.2 подаётся опорное напряжение 2В со светодиода, ток через который ограничивается
транзистором, включённым в качестве стабилизатора тока. И одновременно с этим
светодиод сигнализирует о работе устройства. И одновременно с этим напряжение с
датчика напряжения. Как только напряжение на генераторе начинает падать,
срабатывает компаратор DA1.2
на его выходе появляется низкий уровень сигнала и загорается светодиод VD18 и оптрон соединённый с ним, в
результате появления низкого уровня блокируются оптроны U1 и U2 и компаратор DA1.1,
следящий за током в цепях потребителей, не сможет переключить свои оптроны. И
устройство переключает потребителей на стационарную сеть. Резистор R12 сопротивлением 330кОм, включён в
качестве положительной обратной связи, создаёт петлю гистерезиса порядка 2В.
Этот гистерезис предотвращает многократные переключения схемы в случае, когда
напряжение генератора колеблется вблизи порогового уровня. Уменьшение этого
резистора увеличивает величину этого напряжения, а увеличение – уменьшает.
На компаратор DA1.1 подаётся опорное напряжение 0.7В
и напряжение взятое с датчика тока. Напряжение берётся с резистора включённого
последовательно с нагрузкой и когда мощность нагрузки возрастает, возрастает
падение напряжения на резисторе и оно фиксируется компаратором. Когда это
напряжение доходит до 0.7В, что по расчёту соответствует максимальному току
генератора в 28А, компаратор переключается и высоким уровнем открывает
транзистор VT3 и включает диод VD17, а одновременно с этим выключается
VD15 и оптрон U1. Которые открывают симистор VS2 и закрывают VS1.
Резистор R11 сопротивлением 2МОм создаёт
небольшую петлю гистерезиса.
1.4.4
Расчёт потребляемой мощности
Расчёт потребляемой
мощности устройства необходимо производить для выбора конкретного источника
питания или для расчётов энергосбережения.
Рассчитывая потребления
мощности данного устройства нужно сложить все цепи которые включены параллельно
источнику тока, в любой момент времени. В данном устройстве это блок опорного
напряжения, один из трёх светодиодов и микросхема.
Рассчитаем потребляемую
мощность:
Pmax = ( IVD5 + IVD6
+ IVD15 + IDA ) ∙ Uпит ,
где IVD5 – ток через диод VD5,
IVD6 – ток через диод VD6,
IVD15 – ток через диод VD15,
IDA – ток потребляемый микросхемой,
Uпит – напряжение питания устрояства.
Таким образом мощность
потребляемая устройством составляет:
Pmax = (10 + 10 + 10 + 4 ) ∙ 8 =
272 (мВт).
Из приведённого расчёта
видно, что разработанное мной устройство имеет низкую потребляемую мощность.
Данная мощность является оптимальной и соответствует предъявляемым к устройству
требованиям.
2
Конструкторско-технологический раздел
2.1
Разработка печатной платы
При
разработке различных устройств радиолюбители пользуются обычно двумя способами
изготовления печатных плат – прорезанием канавок и травлением рисунка,
используя стойкую краску. Первый способ прост, но непригоден для выполнения
сложных устройств. Второй – более универсален, но порой пугает радиолюбителей
сложностью из-за незнания некоторых правил при проектировании и изготовлении
травленых плат.
Проектировать
печатные платы наиболее удобно в масштабе 2:1 на миллиметровке или другом
материале, на котором нанесена сетка с шагом 5 мм. При проектировании в
масштабе 1:1 рисунок получается мелким, плохо читаемым и поэтому при дальнейшей
работе над печатной платой неизбежны ошибки. Масштаб 4:1 приводит к большим
размерам чертежа и неудобству в работе.
Все отверстия
под выводы деталей в печатной плате целесообразно размещать в узлах сетки, что
соответствует шагу 2,5 мм на реальной плате (далее по тексту указаны реальные
размеры). С таким шагом расположены выводы у большинства микросхем в
пластмассовом корпусе, у многих транзисторов и других радиокомпонентов. Меньшее
расстояние между отверстиями следует выбирать лишь в тех случаях, когда это
крайне необходимо.
В отверстия с
шагом 2,5 мм, лежащие на сторонах квадрата 7,5 х 7,5 мм, удобно монтировать микросхему
в круглом металлостеклянном корпусе. Для установки на плату микросхемы в
пластмассовом корпусе, с двумя рядами жестких выводов, в плате необходимо
просверлить два ряда отверстий. Шаг отверстий – 2,5 мм, расстояние между рядами
кратно 2,5 мм. Замечу, что микросхемы с жесткими выводами требуют большей
точности разметки и сверления отверстий.
Если размеры
печатной платы заданы, вначале необходимо начертить ее контур и крепежные
отверстия. Вокруг отверстий выделяют запретную для проводников зону с радиусом,
несколько превышающим половину диаметра металлических крепежных элементов.
Далее следует
примерно расставить наиболее крупные детали – реле, переключатели (если их
впаивают в печатную плату), разъемы, большие детали и т.д. Их размещение обычно
связано с общей конструкцией устройства, определяемой размерами имеющегося
корпуса или свободного места в нем. Часто, особенно при разработке портативных
приборов, размеры корпуса определяют по результатам разводки печатной платы.
Цифровые
микросхемы предварительно расставляют на плате рядами с межрядными промежутками
7,5 мм. Если микросхем немного, все печатные проводники обычно удается
разместить на одной стороне платы и обойтись небольшим числом проволочных
перемычек, впаиваемых со стороны деталей. Попытки изготовить одностороннюю
печатную плату для большего числа цифровых микросхем приводят к резкому
увеличению трудоемкости разводки и чрезмерно большому числу перемычек. В этих
случаях разумнее перейти к двусторонней печатной плате.
Условимся
называть ту сторону платы, где размещены печатные проводники, стороной проводников,
а обратную - стороной деталей, даже если на ней вместе с де
