CC BY
20Научная статья УДК 621.311.25
doi: 10.34822/1999-7604-2022-2-55-60
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ С ИНТЕГРИРОВАННЫМИ В НЕЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
Геннадий Викторович Иванов1, Леонид Вячеславович Владимиров Евгений Юрьевич Кислицин3
1 2 3Сургутский государственный университет, Сургут, Россия 1ivanov_gv@surgu. ru, http://orcid. org/0000-0001-8640-9605 2vladimirov_lv@surgu.ru^, http://orcid.org/0000-0001-6026-3679 3kislitcin_eu@surgu.ru, http://orcid.org/0000-0002-9747-3917
Аннотация. Рассмотрен вариант внедрения в систему электроснабжения общеобразовательного учреждения, расположенного на территории города Сургута Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, возобновляемого источника энергии - солнечной электростанции, что позволяет выполнить требования ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009 № 261-ФЗ.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, система электроснабжения общественных зданий, распределительное устройство
Для цитирования: Иванов Г. В., Владимиров Л. В., Кислицин Е. Ю. Проектирование системы электроснабжения общественных зданий с интегрированными в нее возобновляемыми источниками энергии // Вестник кибернетики. 2022. № 2 (46). С. 55-60. DOI 10.34822/1999-7604-2022-2-55-60.
Original article
DESIGNING A POWER SUPPLY SYSTEM FOR PUBLIC BUILDINGS WITH INTEGRATED RENEWABLE ENERGY SOURCES
Gennadiy V. Ivanov1, Leonid V. VladimirovEvgeniy Yu. Kislitsin3
1 2 3Surgut State University, Surgut, Russia 4vanov_gv@surgu.ru, http://orcid.org/0000-0001-8640-9605 2vladimirov_lv@surgu.ruB, http://orcid.org/0000-0001-6026-3679 3kislitcin_eu@surgu.ru, http://orcid.org/0000-0002-9747-3917
Abstract. The article discusses an option of introducing a renewable energy sources (solar power station) into the power supply system of a general education institution located in Surgut, Khanty-Mansi Autonomous Okrug - Ugra. This resulting in fulfillment of requirements of the Federal Law "On Energy Saving, Improving Energy Efficiency, and Amending Certain Legislative Acts of the Russian Federation" No. 261-FZ of 23.11.2009.
Keywords: renewable energy sources, power supply system for public buildings, switchgear
For citation: Ivanov G. V., Vladimirov L. V., Kislitsin E. Yu. Designing a Power Supply System for Public Buildings with Integrated Renewable Energy Sources // Proceedings in Cybernetics. 2022. No. 2 (46). P. 55-60. DOI 10.34822/1999-7604-2022-2-55-60.
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день вопросы рационального использования энергетических ресурсов являются одними из наиболее актуальных и
важных. Постоянный рост тарифов на электрическую энергию и другие виды энергоресурсов приводит к осознанию необходимости выполнения энергосберегающих меро-
приятий, и это закреплено на законодательном уровне [1]. За последние 10-12 лет практически полностью изменился подход к построению осветительных электроустановок, внедряются энергоэффективные источники света, что позволяет снизить потребление электрической энергии.
Требования к системам электроснабжения и электроустановкам общественных зданий представлены в [2].
Основными силовыми электроприемниками общественных зданий являются:
- технологическое оборудование;
- сантехническое оборудование;
- приборы охранно-пожарной сигнализации.
Напряжение силовой сети общественных
зданий составляет 380/220 В.
На вводе сетей электроснабжения в общественные здания устанавливается энергопри-нимающее устройство, чаще всего это вводно-распределительное устройство (далее -ВРУ-0,4 кВ).
Рассмотрим систему электроснабжения общественного здания на примере общеобразовательной организации (средней школы) города Сургута с универсальной безбарьерной средой на 1 500 учащихся.
Здание школы представляет собой сложное строение размерами 162,9 х 89,1 м в осях, высотой 18,5 м.
В качестве исходных данных для проектирования системы электроснабжения принимается следующее:
- разработанные планировки в разделах АР и КР проектной документации;
- категория электроснабжения: первая -лифты для пожарных подразделений, аварийное освещение, приборы системы ПС и АДУ, дымоудаление; вторая - технологическое оборудование, общеобменная вентиляция, рабочее освещение [2].
- источник электроснабжения - РУ 0,4 кВ трансформаторной подстанции в непосредственной близости от границы земельного участка, выделенного под строительство.
МАТЕРИАЛЫ И МЕДОДЫ
Кроме основных источников питания, в систему электроснабжения проектируемой общеобразовательной организации предполагается интегрировать резервный (автоном-
ный) источник питания - солнечную электростанцию. Электроприемниками, запитан-ными от нее, являются:
- наружное освещение территории проектируемой общеобразовательной организации;
- освещение коридоров проектириуемого здания.
Идея состоит в установке на крыше проектируемого здания каскада солнечных батарей, участвующих в генерации электрической энергии с ее накоплением в течение светлого времени суток и использованием в течение темного периода суток. Высвобождаемая электрическая энергия будет использоваться для освещения коридоров и прилегающей к зданию территории (спортивные площадки, зоны отдыха).
Скептицизм применения солнечных батарей в северных городах понемногу уступает место здоровому расчету: выпуск солнечных панелей с каждым годом увеличивается, стоимость панелей и их коэффициент полезного действия растет. На юге Тюменской области, например в г. Тобольске, солнечными батареями оснащаются светофоры на центральных улицах города, площадки для выгула собак.
Особенности реализации предлагаемого технического решения:
- солнечная энергия обеспечивает питание системы освещения через источник бесперебойного питания. При его разрядке питание системы автоматически переводится на резервный источник питания ВРУ-0,4 кВ здания. Тем самым обеспечивается условие питания цепей освещения по первой категории электроснабжения с автоматическим переключением на резервный ввод;
- для уменьшения нагрузки на сеть применяются устройства, ограничивающие работу светильников наружного освещения при отсутствии необходимости в нем. В цепи питания наружного освещения здания используется фотореле «день - ночь», обеспечивающее включение освещения только в темное время суток. Кроме того, светильники площадки для отдыха снабжаются датчиками присутствия.
Для уменьшения нагрузки на сеть дополнительно применяются светодиодные лампы, обеспечивающие достаточную освещенность при сравнительно невысоком потреблении электрической мощности:
- RSL-Street-L-200W (количество ЫК5Ь1 = 6, класс защиты корпуса - №66, потребляемая активная мощность - 200 Вт, световой поток - 27 000 - 30 000 Лм, цветовая температура - 2 700 - 5 000 К).
- RSL-Street-S-40W (количество ЫК5Ь2 = 38, класс защиты корпуса - №66, мощность - 40 Вт, световой поток - 5 400 - 6 000 Лм, цветовая температура - 2 700 - 5 000 К), (рис. 1).
Рис. 1. Светильник RSL-Street-S-40W [3]
Расчетное значение мощности для системы наружного (уличного) освещения:
^нар.о = • 1) + • РяБы), (1)
^нар.о = (6 • 200) + (38 • 40) = = 2720 Вт = 2,72 кВт.
(1)
Для установки на крышу здания применены панели HVL-325/HJT [4] отечественного производства компании «Хевел», г. Новоче-боксарск. Параметры выходной мощности: 325 Вт при габаритных размерах панели 1671 мм х 1002 мм, КПД панелей 19,4 %. Стоимость одной панели не превышает 15 тысяч рублей.
Солнечные панели устанавливаются под углом 70°, что на 9° больше широты города Сургута (61° 25°). В этом случае их применение зимой дает большую эффективность, чем летом, дополнительно упрощается обслуживание панелей, так как снег и осадки
не задерживаются на поверхности батарей и естественным ходом сходят вниз [5].
С учетом площади крыши возможна установка 200 таких панелей, что дает выходную мощность 65 кВт в пиковый период генерации при минимальном загрязнении панелей.
Согласно расчету электрических нагрузок мощность рассматриваемых электроприемников составляет:
- аварийное освещение - 22,2 кВт;
- наружное освещение - 2,7 кВт.
По формуле (2) рассчитывается суммарная мощность освещения Росв наружной подсветки и аварийного освещения:
Р = Р + р
' осв ' нар.о ' ' авар.о'
(2)
где Рнар.о - мощность наружного освещения здания,
^аюр.о - мощность аварийного освещения здания,
Кс - коэффициент спроса.
а)
б)
Рис. 2. Светильники: а - 0№Р/Я 414; б - ОРМ/Я 414 [6]
Часть светильников аварийного освещения переводится на использование в ночное время для обеспечения освещения коридоров
и холлов, что составляет 20 % от общего значения нагрузки. Для этого применены следующие светильники (рис. 2):
- OWP/R 414 (класс защиты корпуса № 54, потребляемая активная мощность Ро^р = = 4 • 16 Вт, световой поток 1 200 Лм, цветовая температура - 3 000 - 4 000 К);
- OPM/R 414 (класс защиты корпуса Ш 20, потребляемая активная мощность Рорм = = 4 • 16 Вт, световой поток 1200 Лм, цветовая температура - 3 000 - 4 000 К).
Расчетная мощность аварийного освещения здания:
Р = 0 2 • Рном ■ (3)
'авар.о 'авар.о> (3)
^авар.о = 0,2 • 22,2 = 4,44 кВт. (1)
Суммарная мощность сети освещения составит:
Росв = 2,72 + 1 • 4,44 = 7,16 кВт.
Реактивная мощность @осв и полная мощность 5осв сети освещения определяются по формулам:
Сосв = Росв • V1 - cos>;
s =
пгтз
cos^
(5)
(4)
где cos^ - коэффициент мощности (для светодиодных светильников - 0,95; для люминесцентных - 0,96).
СОСВ? = 2,72 • Vi - 0,952 = 0,849 кВ • Ар;
2,72
5о™ = = 2,863 кВ • А;
Ä = 4,44 • Vi- 0,962 = 1,243 кВ • Ар;
4,44
5оЛсЛ = Щ, = 4,625 кВ • А;
с _ rL£D I гЛЛ. jocb jOCB + jOCB;
5Осв = 2,863 + 4,625 = 7,488 кВ • А.
Для накопления солнечной энергии в ходе генерации и резервирования питания цепей освещения применяется источник бесперебойного питания (далее - ИБП) мощностью 8 кВ-А марки Riello Sentinel Power Green SPH 8 (рис. 3).
Рис. 3. ИБП Riello Sentinel Power Green SPH 8 [7]
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Из представленных результатов расчета следует: предложенный автономный источник электрической энергии для электроснабжения приборов освещения коридоров и холлов, а также наружного освещения прилегающей к зданию территории позволит обеспечить электрической энергией указанные электроприемники в течение всего года, в том числе и в периоды минимальной солнечной активности.
Электрическая энергия, вырабатываемая проектириуемой солнечной электростанцией
(далее - СЭС), в течение светлого времени суток аккумулируется в накопителях электрической энергии, в качестве которых приняты аккумуляторные батареи типа SunStonePower LiFePO4 48-200 в количестве 10 штук. Во избежание непреднамеренного расхода накопленной электрической энергии в светлое время суток в схеме выдачи мощности от СЭС установлен коммутационный аппарат, включение которого происходит только после срабатывания датчика освещенности (предусмотрен в системе управления СЭС). С помощью инвертора типа SILA
PRO 10000MH электрическая энергия, накопленная в аккумуляторах, преобразуется в энергию переменного тока и распределяется по соответствующим электроприемникам.
Интеграция солнечной электростанции с основной системой электроснабжения здания выполнена через шкаф автоматического включения резерва (далее - АВР), что позволяет обеспечить бесперебойное электроснабжение указанных выше электроприемников: при разрядке аккумуляторных батарей и отсутствии выработки энергии от СЭС (темное время суток) напряжение в сети «СЭС -электроприемники» снижается ниже допустимого (более 5 % от номинального), срабатывает АВР и питание продолжается уже от ВРУ-0,4 кВ, т. е. от энергосистемы. При восстановлении уровня напряжения в сети СЭС (аккумуляторы заряжены), происходит обратное переключение.
Список источников
1. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации : федер. закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ. Доступ из СПС «КонсультантПлюс».
2. Электроустановки жилых и общественных зданий правила проектирования и монтажа : свод правил СП 256.1325800.2016 от 29.08.2016. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200139957 (дата обращения: 12.04.2022).
3. Светильник RSL-Street-S-40W. URL: https://www.fsenergo.com/outdoor_LED_lighting/rs l_street_s_40w/ (дата обращения: 12.04.2022).
4. Солнечный модуль HVL-325/HJT. URL: https://www.hevelsolar.com/catalog/solnechnye-moduli/ modul-fotoelektricheskii-hvl-325hjt/ (дата обращения: 12.04.2022).
5. Теруков Е. И., Шварц М. З., Аронова Е. С., Охот-кин Г. П. Особенности работы тонкопленочных солнечных модулей на основе кремния в составе электростанции на широте г. Чебоксары // Динамика нелинейных электротехнических и электронных систем : материалы IX Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары : Изд-во Чуваш. гос. ун-та, 2011. С. 222-224.
6. Светильники OWP/R 414 и OPM/R 414. URL: https://light-technology.ru/katalog/vnutrennee-osve shhenie/potolochnye/ (дата обращения: 12.04.2022)
7. Источник бесперебойного питания Riello Sentinel Power Green SPH 8. URL: https://mototech.ru/ibp/ riello-sentinel-power-green-sph-8/ (дата обращения: 12.04.2022).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе исследования установлено, что расчетная мощность ситемы внутренненго и наружного освещения, при условии использования современных светодиодных источно-ков света, не превышает 5оСв = 7,488 кВ • А. Для электроснабжения этих систем предлагается использовать интегрированную СЭС с размещением солнечных панелей на крыше здания, определены состав и основные технические параметры элементов СЭС. Рассмотренное техническое решение сочетает в себе экономический эффект и эффект повышения безопасности жизнедеятельности общественного здания. Представленный подход в дальнейшем может быть использован при проектировании электроустановок жилых и общественных зданий.
References
1. On Energy Saving, Improving Energy Efficiency, and Amending Certain Legislative Acts of the Russian Federation : Federal Law No. 261-FZ of 23.11.2009. Accessed through Law assistance system "Consultant Plus". (In Russian).
2. Electrical Installations of Residential and Public Buildings Design and Installation Rules : Set of Rules SP 256.1325800.2016 of 29.08.2016. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200139957 (accessed: 12.04.2022). (In Russian).
3. Svetilnik RSL-Street-S-40W. URL: https://www.fse nergo.com/outdoor_LED_lighting/rsl_street_s_40w/ (accessed: 12.04.2022). (In Russian).
4. Solnechnyi modul HVL-325/HJT. URL: https://www. hevelsolar.com/catalog/solnechnye -mo duli/modul-fotoelektricheskii-hvl-325hjt/ (accessed: 12.04.2022). (In Russian).
5. Terukov E. I., Shvarts M. Z., Aronova E. S., Okhotkin G. P. Osobennosti raboty tonkoplenoch-nykh solnechnykh modulei na osnove kremniia v sostave elektrostantsii na shirote g. Cheboksary // Dinamika nelineinykh elektrotekhnicheskikh i el-ektronnykh sistem : Proceedings in IX All-Russian Scientific and Engineering Conference. Cheboksary : Publishing House Chuvash State University, 2011. P. 222-224. (In Russian).
6. Svetilniki OWP/R 414 i OPM/R 414. URL: https://light-technology.ru/katalog/vnutrennee-osve shhenie/potolochnye/ (accessed: 12.04.2022). (In Russian).
7. Istochnik bespereboinogo pitaniia Riello Sentinel Power Green SPH 8. URL: https://mototech.ru/ibp/ riello-sentinel-power-green-sph-8/ (accessed: 12.04.2022). (In Russian).
8. Литий-железно-фосфатный аккумулятор Sun-StonePower LiFePO4 48-200. URL: https://e-solarpower.ru/batteries/lifepo4/akkumulyator-sunsto nepower-lifepo4-48-200/ (дата обращения: 12.04.2022).
Информация об авторах
Г. В. Иванов - кандидат технических наук, доцент. Л. В. Владимиров - кандидат технических наук. Е. Ю. Кислицин - кандидат технических наук, доцент.
8. Litii-zhelezno-fosfatnyi akkumuliator SunStone-Power LiFePO4 48-200. URL: https://e-solarpower.ru/batteries/lifepo4/akkumulyator-sunsto nepower-lifepo4-48-200/ (accessed: 12.04.2022). (In Russian).
Information about the authors
G. V. Ivanov - Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor.
L. V. Vladimirov - Candidate of Sciences (Engineering).
E. Yu. Kislitsin - Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor.
