Автономные системы электроснабжения маломерных судов
|
Введение
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МАЛОМЕРНЫХ СУДОВ 14
1.1. Анализ и оценка современного состояния использования
возобновляемых источников энергии на судах 14
1.2. Структурные схемы автономного электроснабжения маломерных
судов 17
1.3. Анализ природных условий для создания систем электроснабжения
на маломерных судах 20
1.3.1. Общие географические и климатические сведения для
эксплуатации в городе Новосибирске 23
1.4. Типы и характеристики солнечных и аккумуляторных батарей 25
1.4.1. Типы солнечных модулей 25
1.4.2. Характеристики солнечных модулей 31
1.4.3. Характеристики аккумуляторных батарей 33
1.4.4. Типы инверторов, технические характеристики 35
1.4.5. Типы контроллеров заряда, технические характеристики 39
2. ТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ 42
2.1. Оценка солнечного энергетического потенциала при переменных
координатах 42
2.2. Характеристики объекта электроснабжения 48
2.3. Расчет электрических нагрузок 49
2.4. Выбор оборудования солнечной электростанции 53
2.4.1. Выбор солнечных модулей 53
2.4.2. Выбор аккумуляторных батарей и инвертора 56
3. ЭКСПИРЕМЕНТАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ
MATLAB/Simulink 59
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 68
4.1. Цели проекта 69
4.2. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 70
4.3. SWOT-анализ 71
4.4. Планирование этапов и выполнения работ проводимого научного
исследования 76
4.5. Определение трудоемкости выполнения работ 78
4.6. Разработка графика проведения научного исследования 79
4.7. Расчет бюджета для научно-технического исследования 83
4.8. Определение целесообразности и эффективности научного
исследования 90
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 94
5.1. Производственная безопасность 96
5.1.1. Анализ опасных и вредных производственных факторов 96
5.1.2. Микроклимат 96
5.1.3. Электромагнитное и ионизирующее излучение 98
5.1.4. Освещение 99
5.1.5. Шумы и вибрации 100
5.1.6. Электрический ток и статическое электричество 101
5.2. Человек и окружающая среда 102
5.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 105
5.3.1. Пожарная безопасность 105
5.3.2. Безопасность при чрезвычайных антропогенных и природных
ситуациях 106
Заключение 108
Список использованных источников 109
Приложение А (Английский язык) 111
Приложение Б (Технические характеристики солнечного модуля) 130
Приложение В (Технические характеристики АКБ) 131
Приложение Г (Технические характеристики инвертора) 132
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МАЛОМЕРНЫХ СУДОВ 14
1.1. Анализ и оценка современного состояния использования
возобновляемых источников энергии на судах 14
1.2. Структурные схемы автономного электроснабжения маломерных
судов 17
1.3. Анализ природных условий для создания систем электроснабжения
на маломерных судах 20
1.3.1. Общие географические и климатические сведения для
эксплуатации в городе Новосибирске 23
1.4. Типы и характеристики солнечных и аккумуляторных батарей 25
1.4.1. Типы солнечных модулей 25
1.4.2. Характеристики солнечных модулей 31
1.4.3. Характеристики аккумуляторных батарей 33
1.4.4. Типы инверторов, технические характеристики 35
1.4.5. Типы контроллеров заряда, технические характеристики 39
2. ТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ 42
2.1. Оценка солнечного энергетического потенциала при переменных
координатах 42
2.2. Характеристики объекта электроснабжения 48
2.3. Расчет электрических нагрузок 49
2.4. Выбор оборудования солнечной электростанции 53
2.4.1. Выбор солнечных модулей 53
2.4.2. Выбор аккумуляторных батарей и инвертора 56
3. ЭКСПИРЕМЕНТАЛЬНЫЙ РАСЧЕТ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ
MATLAB/Simulink 59
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 68
4.1. Цели проекта 69
4.2. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 70
4.3. SWOT-анализ 71
4.4. Планирование этапов и выполнения работ проводимого научного
исследования 76
4.5. Определение трудоемкости выполнения работ 78
4.6. Разработка графика проведения научного исследования 79
4.7. Расчет бюджета для научно-технического исследования 83
4.8. Определение целесообразности и эффективности научного
исследования 90
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 94
5.1. Производственная безопасность 96
5.1.1. Анализ опасных и вредных производственных факторов 96
5.1.2. Микроклимат 96
5.1.3. Электромагнитное и ионизирующее излучение 98
5.1.4. Освещение 99
5.1.5. Шумы и вибрации 100
5.1.6. Электрический ток и статическое электричество 101
5.2. Человек и окружающая среда 102
5.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 105
5.3.1. Пожарная безопасность 105
5.3.2. Безопасность при чрезвычайных антропогенных и природных
ситуациях 106
Заключение 108
Список использованных источников 109
Приложение А (Английский язык) 111
Приложение Б (Технические характеристики солнечного модуля) 130
Приложение В (Технические характеристики АКБ) 131
Приложение Г (Технические характеристики инвертора) 132
Еще тысячи лет назад люди совершали длительные путешествия как по суше, так и по воде без использования каких-либо видов топлива, а о таком виде энергии, как электричество и не помышляли. Использование в качестве средств передвижения лошадей и парусных судов никак не назовешь ни практичным, ни комфортным. Транспорт на бензиновых и дизельных генераторах энергии также постепенно изживает себя. Новые способы передвижения - на энергии возобновляемых источников приобретают все больше приверженцев.
Быстро растущая популярность солнечных батарей не обошла стороной и водные виды транспорта. Солнечные панели устанавливаются на борту катеров и яхт и как дополнительный источник энергии, и как основной - на безмоторных судах. Электричество, генерируемое солнечными панелями, используется для запуска мореходного и коммуникационного оборудования, бортового освещения и т. д. Применение солнечных батарей на яхтах, особенно оправдано в случаях длительных путешествий в регионы земного шара, отличающиеся высоким уровнем инсоляции. Для таких судов солнечные модули изготавливают, как правило, на заказ [7].
Электромоторные суда на солнечных батареях для водных прогулок и рыбалки завоевывают все большую популярность. История появления первых водных транспортных средств, движимых энергией солнца, насчитывает уже многие десятилетия. Именно на воде было испытано первое транспортное средство с электроприводом. В 1833 году немецким инженером Якоби, работавшем в Петербурге, была спущена на воду лодка с двумя электромоторами, работающими от 27 гальванических батарей. Эксперимент оказался удачным: лодке удалось подняться вверх по Неве на несколько километров, что в те времена было невиданным достижением человеческой мысли. Правда, низкая энергоемкость батарей послужила препятствием к дальнейшим экспериментам и их пришлось прекратить. Тем не менее, начало было положено.
Начало 20 века ознаменовалось появлением маломерных судов с двигателями внутреннего сгорания. Более высокая энергоемкость углеводородного топлива в сравнении с гальваническими батареями заставили на время забыть о других источниках энергии. Лодки, катера, катамараны с мощными бензиновыми моторами еще долгие годы оставались самым востребованным видом водного транспорта. Электромоторные же суда, ввиду несовершенства аккумуляторных батарей того времени - сложности их зарядки и ограниченного ресурса,- до недавнего времени, наряду с электромобилями, практически не встречались [8].
Лодки и катера с жидкотопливными двигателями сегодня распространены повсеместно. Отравляя воду и воздух продуктами сгорания топлива, вызывая эрозию берегов водоемов сильными волнами, уничтожая природные экосистемы, моторные лодки уже не вызывают прежнего энтузиазма и заставляют обращать свой взор на альтернативные экологичные источники энергии. Солнечные суда на экологически чистой возобновляемой энергии могут стать наилучшим решением проблемы отдыха на природе, рыбалки и туризма, не отравляемыми ни ядовитыми выхлопами, ни шумом моторов.
Создание водных транспортных средств на солнечной энергии связано с меньшим количеством проблем, чем создание электромобиля:
-большая площадь палубы катера или лодки обеспечивает достаточную площадь для размещения требуемого количества солнечных батарей;
-отсутствие проблемы затенения деревьями, домами и др. позволяет вырабатывать большее количество энергии;
-разгон и торможение, преодоление подъемов и спусков, требующее повышенных мощностей,- прерогатива лишь наземного транспорта [7].
Все водные транспортные средства с солнечным приводом имеют аккумулятор, емкость и вес которого подбирается в зависимости от назначения судна. На маломерных судах для водных прогулок в выходные они могут быть небольшими и заряжаться по рабочим дням. Солнечные батареи для их зарядки необязательно размещать в самой лодке, целесообразнее пользоваться услугами стационарной береговой гелиостанции. Для коротких водных прогулок аккумуляторы не обязательны, в таких случаях необходимо предусмотреть наличие резервного движителя: весел, педалей или паруса, которым может служить и сама солнечная батарея, являясь одновременно навесом, защищающим от непогоды.
Современные электромоторы обладают существенными преимуществами в сравнении с двигателями внутреннего сгорания. Они не нуждаются в смазке и смене масла, не требуют топлива, что позволяет не загромождать пространство емкостями для горючего.
Ключевым фактором в нашей работе является проблема автономного электроснабжения маломерного судна, решить которую мы беремся с использованием солнечной энергетики. В роли объекта электроснабжения выступает яхта Bavaria Virtess 420, предназначенная для водных прогулок
Быстро растущая популярность солнечных батарей не обошла стороной и водные виды транспорта. Солнечные панели устанавливаются на борту катеров и яхт и как дополнительный источник энергии, и как основной - на безмоторных судах. Электричество, генерируемое солнечными панелями, используется для запуска мореходного и коммуникационного оборудования, бортового освещения и т. д. Применение солнечных батарей на яхтах, особенно оправдано в случаях длительных путешествий в регионы земного шара, отличающиеся высоким уровнем инсоляции. Для таких судов солнечные модули изготавливают, как правило, на заказ [7].
Электромоторные суда на солнечных батареях для водных прогулок и рыбалки завоевывают все большую популярность. История появления первых водных транспортных средств, движимых энергией солнца, насчитывает уже многие десятилетия. Именно на воде было испытано первое транспортное средство с электроприводом. В 1833 году немецким инженером Якоби, работавшем в Петербурге, была спущена на воду лодка с двумя электромоторами, работающими от 27 гальванических батарей. Эксперимент оказался удачным: лодке удалось подняться вверх по Неве на несколько километров, что в те времена было невиданным достижением человеческой мысли. Правда, низкая энергоемкость батарей послужила препятствием к дальнейшим экспериментам и их пришлось прекратить. Тем не менее, начало было положено.
Начало 20 века ознаменовалось появлением маломерных судов с двигателями внутреннего сгорания. Более высокая энергоемкость углеводородного топлива в сравнении с гальваническими батареями заставили на время забыть о других источниках энергии. Лодки, катера, катамараны с мощными бензиновыми моторами еще долгие годы оставались самым востребованным видом водного транспорта. Электромоторные же суда, ввиду несовершенства аккумуляторных батарей того времени - сложности их зарядки и ограниченного ресурса,- до недавнего времени, наряду с электромобилями, практически не встречались [8].
Лодки и катера с жидкотопливными двигателями сегодня распространены повсеместно. Отравляя воду и воздух продуктами сгорания топлива, вызывая эрозию берегов водоемов сильными волнами, уничтожая природные экосистемы, моторные лодки уже не вызывают прежнего энтузиазма и заставляют обращать свой взор на альтернативные экологичные источники энергии. Солнечные суда на экологически чистой возобновляемой энергии могут стать наилучшим решением проблемы отдыха на природе, рыбалки и туризма, не отравляемыми ни ядовитыми выхлопами, ни шумом моторов.
Создание водных транспортных средств на солнечной энергии связано с меньшим количеством проблем, чем создание электромобиля:
-большая площадь палубы катера или лодки обеспечивает достаточную площадь для размещения требуемого количества солнечных батарей;
-отсутствие проблемы затенения деревьями, домами и др. позволяет вырабатывать большее количество энергии;
-разгон и торможение, преодоление подъемов и спусков, требующее повышенных мощностей,- прерогатива лишь наземного транспорта [7].
Все водные транспортные средства с солнечным приводом имеют аккумулятор, емкость и вес которого подбирается в зависимости от назначения судна. На маломерных судах для водных прогулок в выходные они могут быть небольшими и заряжаться по рабочим дням. Солнечные батареи для их зарядки необязательно размещать в самой лодке, целесообразнее пользоваться услугами стационарной береговой гелиостанции. Для коротких водных прогулок аккумуляторы не обязательны, в таких случаях необходимо предусмотреть наличие резервного движителя: весел, педалей или паруса, которым может служить и сама солнечная батарея, являясь одновременно навесом, защищающим от непогоды.
Современные электромоторы обладают существенными преимуществами в сравнении с двигателями внутреннего сгорания. Они не нуждаются в смазке и смене масла, не требуют топлива, что позволяет не загромождать пространство емкостями для горючего.
Ключевым фактором в нашей работе является проблема автономного электроснабжения маломерного судна, решить которую мы беремся с использованием солнечной энергетики. В роли объекта электроснабжения выступает яхта Bavaria Virtess 420, предназначенная для водных прогулок
В работе рассмотрена солнечная электростанция, способная за счет энергии солнца полностью покрыть потребность в электрической энергии потребителя маломерного судна.
Необходимое количество электрической энергии будут обеспечивать 16 солнечных модулей, бесперебойность электроснабжения обеспечивается за счет установки 8 накопителей, суммарной емкостью 1600 А*ч и напряжением 48 В. Системой предусмотрена установка инвертора, который позволяет синхронизировать систему, тем самым облегчая эксплуатацию солнечной станции.
Согласно разработанной схеме солнечной электростанции, выбрано основное оборудование. Полная стоимость основного оборудования электростанции составляет 941472 рублей.
В целом, в рассматриваемом регионе не сильно высокий потенциал возобновляемых источников энергии. Однако, использование новейшего и высокоэффективного оборудования, позволяет использовать альтернативную энергетику в этом районе. Спроектированная система электроснабжения наглядно это демонстрирует.
Необходимое количество электрической энергии будут обеспечивать 16 солнечных модулей, бесперебойность электроснабжения обеспечивается за счет установки 8 накопителей, суммарной емкостью 1600 А*ч и напряжением 48 В. Системой предусмотрена установка инвертора, который позволяет синхронизировать систему, тем самым облегчая эксплуатацию солнечной станции.
Согласно разработанной схеме солнечной электростанции, выбрано основное оборудование. Полная стоимость основного оборудования электростанции составляет 941472 рублей.
В целом, в рассматриваемом регионе не сильно высокий потенциал возобновляемых источников энергии. Однако, использование новейшего и высокоэффективного оборудования, позволяет использовать альтернативную энергетику в этом районе. Спроектированная система электроснабжения наглядно это демонстрирует.