- АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗДАНИЙ
А. И. Мелуа
- Современное состояние и задачи управления работой энергетических систем зданий
Первые попытки использовать солнечную энергию для решения различных задач в хозяйственной деятельности человека связаны с созданием устройств, преобразующих солнечное излучение в необходимый вид энергии. Как только был накоплен опыт конструирования таких устройств, заметно усложнился подход к их развитию. Совершенствование гелиоустановок предусматривает получение все большего объема энергии, а также повышение к. п. д. преобразователей. Достижение этих целей требовало учета в процессе эксплуатации гелиоустройств большого числа меняющихся во времени параметров среды и самого устройства. Решение этой задачи оказалось не под силу человеку-оператору. Так создавались предпосылки для автоматизации функционирования гелиоустановок. Этим объясняется поиск путей, принципов и средств автоматизации работы энергетических устройств рассматриваемого класса. В качестве примера можно привести проект первой СЭС в Крыму, работа которой во многом будет зависеть от эффективности функционирования автоматических устройств — одних из основных компонентов станции.
В данной главе сделана попытка на основе системного анализа рассмотреть общие принципы построения АСУ энергетическими объектами на основе возобновляемых источников энергии. Система автоматического управления и регулирования работы нетрадиционной энергетической системы (САУ «Контур», разработанная в АН СССР) должна решать следующие задачи:
поддержание заданного режима приема и преобразования энергии в энергетической станции;
обеспечение передачи энергии от источника к пользователю при наименьших ее потерях;
обеспечение режима потребления энергии пользователем с наибольшей эффективностью.
Энергетическая система здания, в которой используются нетрадиционные источники энергии, представляет собой совокупность устройств, объединенных каналами связи и передачи энергии, деятельность которых направлена на получение, преобразование и передачу потребителю возможно большего количества энергии для удовлетворения заданных потребностей (рис. 8.1). Условия, при которых осуществляются основные функции энергетической системы, изменяются с течением времени. Эти изменения сказываются на величине получаемой потребителями энергии. Одни условия носят объективный характер и не являются регулируемыми, другие могут быть выбраны оператором или заданы автоматически по определенной программе (рис. 8.2).
Рис. 8.1. Классификатор систем автоматического управления «Контур»
Вместе с разработкой конструкций энергетических систем накапливался опыт по созданию управляющих устройств. Так, в экспериментах по определению характеристик плоского коллектора использовалось различное число прозрачных покрытий и устанавливалась различная температура поглощающей пластины. Результаты показали наличие связи между площадью коллектора и количеством воды в системе, что использовалось в дальнейшем при регулировании работы системы На основе ряда экспериментов были сделаны следующие выводы: теплопроизводительность солнечных установок существенно изменяется в зависимости от условий инсоляции; эффективность солнечного коллектора удовлетворительна только при продолжительной и интенсивной прямой радиации; наличие облачности, равно как и ее изменение, влияет на работу солнечного коллектора; диффузная радиация, которая может быть эффективной, все же значительно меньше прямой.
Рис.8.2. Классификатор факторов, действующих на энергетическую систему зданий и САУ «Контур»
Длительная эксплуатация в Южной Флориде (США) солнечных коллекторов для обеспечения горячей водой коттеджей и многоквартирных домов подтвердила долговечность конструкции, но отсутствие регуляторов уровня воды в баках-аккумуляторах явилось причиной выхода их из строя. Потребители отказались от дальнейшего использования коллекторов, так как нарушилась работа аккумуляторов, вода имела недостаточно высокую температуру, а затраты на замену баков-аккумуляторов оказались высокими. Герметичность баков нарушилась в результате неконтролируемой коррозии, вызванной сочетанием в установке медных труб коллекторов и стальных баков аккумуляторов Увеличение потребления горячей воды в бытовых целях также оказалось неконтролируемым и вызвало дополнительные претензии к системе.
Ряд конструкций гелиоустановок имеют устройства, обеспечивающие слежение за солнцем с целью прихода к приемнику наибольшего объема прямой солнечной радиации, при которой система работает с наибольшей эффективностью. Следящая система может перемещать различные элементы конструкции гелиоустановок.
В системах солнечного отопления часто применяются различного рода регуляторы для контроля температуры воды, давления в трубопроводах, уровня воды в расширительном баке, степени открытия заслонок и др. В особенности оказывается важным управление работой устройств, сочетающих в себе различные физические процессы: например, в проекте Делавэрского университета «Солар-1» применено тепловое и фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии в одной и той же коллекторной системе.
При создании крупных энергетических объектов решение поставленных проблем неразрывно связано с разработкой развитых управляющих систем. Они должны обеспечить заданный режим работы иногда сотен различных устройств, для каждого из которых наиболее целесообразный график работы имеет свои индивидуальные характеристики.
Главной целью управления энергетическими системами, использующими нетрадиционные методы получения энергии, является обеспечение наиболее оптимальных условий работы энергетической станции. Ведь энергетическая система и ее САУ испытывает множество внутренних и внешних воздействий (табл. 8.1). Внутренние воздействия возникают в результате взаимодействия элементов САУ между собой (например, при подключении к системе пользователя); внешние воздействия передаются через объект регулирования или другой элемент САУ (изменение интенсивности инсоляции, скорости ветра и др.).
На энергетическую систему здания и управляющую ее работой САУ «Контур» действуют различные факторы, определяемые как окружающей средой, так и спецификой обслуживания системы и технологическими процессами получения, передачи и использования энергии. К основным факторам внешней среды, воздействующим на САУ «Контур», следует прежде всего отнести температуру, влажность, ветровые условия, солнечную радиацию, загрязнения атмосферы, характеристики биологической среды, ионизацию воздуха, радиоактивное излучение, механическое воздействие.
Нормальной для работы технических систем считается температура окружающего воздуха 20°С. В зависимости от географической широты местности, времени года и суток, а также местных микроклиматических особенностей и конструктивных характеристик системы температура воздуха в месте работы энергетической станции и системы в целом может изменяться от —71 (район Оймякона) до +50°С (Узбекская ССР). Существенно изменяется температура воздуха при изменении высоты над уровнем моря.
Абсолютная влажность на уровне земли колеблется от 0,1 г/м3 в полярных районах до 30 г/м3 в тропиках. Нормальной относительной влажностью воздуха считается 65%. Во влажных тропиках относительная влажность достигает 98% при температуре до +40°С.
Нормальное атмосферное давление равно 760 мм. рт. ст. (1,01·105 Па). Эта величина не является стабильной и претерпевает значительные колебания.
При увеличении высоты над уровнем моря атмосферное давление падает.
Таблица 8.1. Классификация воздействия на САУ «Контур»
Скорость ветра изменяется в больших пределах (от 0 до 200 км/ч), причем колебания могут происходить быстро. С ростом высоты над уровнем моря увеличивается скорость ветра, достигая максимума в районе тропопаузы и уменьшаясь в стратосфере. На больших высотах обнаружены пояса, скорость ветра в которых может превышать 400 км/ч; эти струйные течения атмосферы используются при работе ветроэнергетических установок, у которых ветропривод вынесен на большую высоту с помощью воздушных шаров.
Плотность потока солнечной энергии, достигающей Земли, изменяется от 0,91 до 1,4 кВт/ (м2·мин) в зависимости от поглощающей способности атмосферы. Излучение преимущественно сосредоточено в области длин волн 0,2—0,5 мкм.
На состояние атмосферы в значительной степени влияют осадки и загрязнения. Атмосферные осадки содержат неорганические и органические частицы. В приморских зонах осадки включают примеси хлористого натрия, в тропических — повышенное содержание азотной кислоты. Снег содержит больше азотистых соединений, чем дождь. Пыль и песок также влияют на климатические условия; кроме того, проникая в устройства САУ, они наносят повреждения, способствуют увеличению электростатических зарядов и создают помехи в работе электронных устройств.
Из биологических факторов, воздействующих на САУ «Контур», наиболее характерны грибковые образования, интенсивно развивающиеся при повышенной влажности неподвижного воздуха (более 85%) и температуре 20-30°С. Термиты и другие насекомые, а также грызуны могут уничтожать органические, в том числе изоляционные, материалы.
Ионизация воздуха приводит к повышению его электропроводности, что может вызвать нарушение работоспособности САУ. Опасность ионизации воздуха растет с увеличением высоты. Радиоактивные излучения влияют на работу САУ, в особенности сильно на кристаллические материалы, воздух, изоляцию, стекло и электролиты. При облучении быстрыми нейтронами смещаются атомы в кристаллических решетках, нарушается нормальная работа германиевых и кремниевых диодов, транзисторов, фотосопротивлений и термисторов. При радиационном излучении ионизируется воздух и увеличивается проводимость между точками монтажа.
К механическим воздействиям относят ускорения, вибрацию и удары. Каждое из них может действовать как в отдельности, так и в совокупности.
