Современные проблемы энергетики
Развитие технической цивилизации на Земле в ХХ в. характеризуется стремительным увеличением энергопотребления. По оценкам, в 1945-1998 гг населения планеты использовало 2/3 всего топлива, добытого человечеством за время своего существования. Такие бурные темпы развития энергетики привели к появлению ряда острых проблем.
На первый план выходит проблема ресурсозабезпечености энергетического хозяйства. С одной стороны, суммарные запасы топливных ресурсов достаточно большие, к тому же ежегодно становятся известными новые залежи ископаемого топлива. Кроме того, современная технология открывает доступ к использованию нетрадиционных источников энергетики, это свидетельствует в пользу того, что абсолютного дефицита энергетических ресурсов на планете пока не существует. С одной стороны, наблюдается относительная ресурсная ограниченность, обусловленная возможностью быстрого исчерпания наиболее доступных месторождений и переход к разработке сложных, что вызывает удорожание энергоносителей и делает использование большей части топливных ресурсов нерентабельным. Аналитики прогнозируют приближение того момента, когда энергетические затраты на разведку и добычу главного вида топлива - нефти за пределами Ближнего Востока, превышать количество энергетики, которая может быть получена из нее.
Но особенно обострились проблемы, связанные с негативным влиянием энергетики на состояние окружающей среды. Выбросы от работы этой отрасли составляют 30% всех твердых частиц поступающих в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека. По этому показателю электростанции сравнялись с предприятиями металлургии и опережают все другие отрасли промышленности. Кроме того, энергетика дает до 63% серного ангидрида и более 53% оксидов озона, поступающих в атмосферу от стационарных источников загрязнения. они являются основным источником кислотных дождей в Украине. Растения и океан уже не успевают поглотить все количество углекислоты, которая образуется в результате сжигания органического топлива. Это ведет к постепенному увеличению ее концентрации в атмосфере, усиливает "парниковый эффект" и вызывает потепление климата.
Если тенденция роста потребления энергетики и выбросов двуокиси углерода сохранится, то уже к 2025 году на Земле потеплеет на 2оС, что приведет к глобальным катастрофическим последствиям: смещение климатических зон, исчезновение многих видов растений, сокращение лесных площадей, увеличение пустынь, таяния ледников и т.д..
Все это создает опасность голода, болезней, массовых миграций населения из зон экологического бедствия. Экологические факторы в развитии ядерной энергетики всегда должны быть на первом месте, иначе не для кого производить электроэнергетике.
Сжигание ископаемых видов топлива и дров нарушает баланс кислорода в атмосфере, поскольку на 1 т органического топлива при этом расходуется более 2 т чистого кислорода. Расширение его потребления на техногенные необходимости уменьшения его воспроизведения из-за вырубки лесов ведет к возникновению на планете реальной опасности дефицита кислорода.
Необходимость преодоления отсталости развивающихся стран, увеличение населения в них требует быстрого развития энергетики, рост энергопотребления.
Меры, которые позволили бы переломить негативные тенденции в сфере энергетики:
1.Пидвищення эффективности использования энергии (при нынешнем уровне техники можно уменьшить суммарное потребление энергетики на 35-40%).
2.Уменьшение вредных выбросов в атмосферу благодаря новым технологиям очистки отработанных газов.
3 . Изменение структуры топливно-энергетического баланса путем развития альтернативной энергетики.
4.Вжиття меры для замедления темпов роста населения.
Сейчас в связи с кризисным состоянием экономики Украины существенно сократились возможности обеспечить ее топливно-энергетическими ресурсами. В 1998 году не удалось добиться перелома в преодолении кризисных явлений, продолжается спал производства, хотя и более медленными темпами, чем в 1996 году. К положительным сдвигам в экономике следует отнести: замедление инфляции и некоторый рост объемов производства в отдельных экспортно отраслях промышленности, достижения положительного сальдо торгового баланса.
Успехи в возрождении экономики могли бы быть намного лучше, если бы не причины, которые приобрели уже хронический характер: тяжелое финансовое состояние, отсутствие спроса на некоторые виды отечественной продукции из-за ее высокой стоимости и неудовлетворительное качество, недостаток инвестиций, медленный характер структурных сдвигов. Согласно снижение объемов производительного материального производства и сокращение услуг, происходят изменения в потреблении топливно-энергетических ресурсов.
Методики снижения использования энергии для освещения
Для снижения потребления энергии для освещения мы можем использовать следующие технологии:
А) Совершенствование источников света
Люминесцентные энергосберегающие лампы
Люминесцентные лампы впервые были представлены в 1939 году на выставке в Нью-Йорке. Они быстро стали популярными в магазинах, офисах и других административных зданиях, так как использовали меньше электроэнергии, обеспечивая необходимое освещение. Однако, их часто можно было встретить в домах - мерцание, время включения, шум и размер тех ламп не устраивали хозяев. В 80 годах нашли способ уменьшить размер трубок и люминесцентные лампы стали уже более похожими к лампам накаливания за своим внешним видом. Сейчас же производителям удалось избавиться от большинства недостатков, и энергосберегающие лампы становятся все более популярными, а обычные лампы накаливания планируют запретить в ближайшие годы во многих странах мира.
Рис. 1. Компактные люминесцентные лампы
Принцип работы энергосберегающих ламп. Люминесцентные лампы содержат внутри смесь паров ртути и инертного газа. Вследствие электрического разряда между электродами создается электрическое поле, которое вызывает выделение парами ртути ультрафиолетового света. Чтобы ультрафиолетовый свет превращалось в видимое на внутренние стенки лампы наносится люминофор (вещество, которое активно излучает свет при воздействии электромагнитного, ультрафиолетового или иного вида излучения). Более детально рассмотреть строение и даже научиться ремонтировать энергосберегающие лампы можно.
Экономия электроэнергии. Обычные лампы большую часть энергии, используемой превращают в тепло, а не на свет. Современные высокоэффективные компактные люминесцентные лампы используют до 80% электроэнергии меньше, чем лампы накаливания. Экономия электроэнергии достигается благодаря большей эффективности и большие длительности использования. Обычные лампы производят 12-15 люмен (единица измерения светового потока) на Ватт потребленной электроэнергии, тогда как компактные люминесцентные лампы - 50-80.
Качество света. Одним из недостатков энергосберегающих ламп часто называют мерцания. В современных лампах частота мерцания достигает 20000 герц, поэтому оно не заметно для человека. Для характеристики света также используют индекс цветопередачи Ra, который определяет степень искажения цвета предметов. Значение индекса Ra 80-89 показывают хорошую цветопередачу, а 90-100 - об очень хорошую. Еще одной характеристикой энергосберегающих ламп является их цветовая температура, которая определяет цвет света: 2700К - теплый белый цвет, наиболее близкий к свету традиционной лампы накаливания; 4200К - дневной свет, 6400К - холодный белый свет. В общем, свет несколько отличается от привычного, но большинство очень быстро привыкает. Экономия средств. По расчетам, экономия средств на одной лампе достигает около 190 грн. и окупается менее, чем за год. По другим отзывам энергоэффективные лампы окупают свою стоимость уже за 4 месяца.
Продолжительность использования . Энергоэффективные лампы служат гораздо больше обычных. Время работы энергоэффективной лампы достигает 10 000 - 13 000 часов, тогда как обычной лампы накаливания - около 750 - 1000 часов. Действительно ли они работают так долго? Качественные лампы - бесспорно так. Эксперименты волонтеров показывают, что компактная флуоресцентная лампа, постоянно включена, работает более 10 000 часов.
Свитлоиодни лампы
История. История светодиодов достигает середины 50-х годов, когда было открыто инфракрасное излучение полупроводников. Однако, тогда еще было далеко до их использования в качестве осветительных приборов - слишком мала яркость. В 1993 году профессор Накамура (Shuji Nakamura) представил миру первый яркий светодиод, основанный на нитрида галлия. Очень скоро после этого ученому удалось создать зеленый и белый светодиод. В 2001 году через суд профессор Накамура получил от компании, в которой работал, 7000000 долларов, как вознаграждение за использование своего изобретения. А в 2006 году - "Премию тысячелетия" от Национального технологического агентства Финляндии. Премия вручается за изобретения, которые сделали весомый вклад в развитие человечества (первым лауреатом был изобретатель интернета, Тимоти Джонс Бернерс Ли).
Среди отечественных ученых в этой сфере известен д.т.н., Осинский Владимир Иванович работавший в области RGB-Свтлодиодни ламп. Наш земляк Винничинны Осинский В.И. стоял в утечек создания Н / П световых структур в мире, работал в группе с Алферовым, который изобрел п / п лазер и компонуемых гетероструктуры для светодиодов и лазерных диодов. Его школа знах в Киеве - институт микроустройстве, центр оптоэлектронных технологий г.Киев (бывший институт завода Квазар).
Принцип работы. Принцип работы основан на эффекте электролюминесценции: излучении света определенными веществами под действием электрического тока.
Светодиод - полупроводниковый устройство, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока (эффект, известный как электролюминесценции). Излучаемый свет традиционных светодиодов лежит в узком участке спектра, а его цвет зависят от химического состава использованного в светодиоде полупроводника. Современные светодиоды могут излучать на длине волны от инфракрасной до ближнего ультрафиолета
Рис. 2. Светодиодная лампа российского производства «SvetaLED»
Экономия электроэнергии. Эффективность многих диодных ламп зависит от цвета и достигает 30 люменов на Вт. Однако уже сейчас появляются технологии, которые могут обеспечить эффективность 70 люмен на Вт и выше. Иногда можно услышать, что диодные лампы хорошо использовать внутри помещений, однако в естественных условиях теряются детали предметов, их четкость. Это связано с отличием спектра конкретного фонаря со светодиодами и спектра дневного света, к которому так привыкло человеческий глаз, обычно это имеет значение только для охотников, которым в дождь нужно разглядеть жертву; диггеров, которые проводят много времени в катакомбах; любителей пещерных экскурсий , фотографов и т.п.
Рис. 2. Светодиодная лампа производства «Philips»
Экономия денег. Так же, как и люминесцентные лампы, диодные лампы экономят не только электроэнергию, но и средства с примером можно познакомиться в статье Маклюк Юлии,. По подсчетам автора (на примере освещения рекламных щитов) экономия по сравнению с люминесцентными составит около 380 грн в год на 1 квадратный метр вывески.
Продолжительность использования. Диодные лампы рассчитаны (по крайней мере так утверждают производители) на 50-100 тысяч часов непрерывной работы. В то время, как для люминесцентных 10000 - 13000, а обычных ламп накаливания - 750-1000годин.
Безопасность. Светодиодные лампы не содержат паров ртути и не подвергаются механическим повреждением в той степени, как обычные и люминесцентные лампы. Напомню, что не стоит пугаться ртути, содержащейся в люминесцентных лампах: тех максимум 4 мг едва хватит, чтобы покрыть шарик обычной ручки. В привычных для нас термометрах ртути содержится до 500 мг! Но даже они далеко не основным источником ртути в окружающей среде. Гораздо больший вклад вносят электростанции, использующие уголь. Особенностью и большим преимуществом светодиодов является широта их применения: кроме освещения светодиоды могут быть использованы для очистки питьевой воды (ультрафиолетовые светодиоды), хранения цифровых данных, в информационных табло и мониторах, светофорах, гирляндах, ландшафтном дизайне, в принтерах и многое другое.
Б) Использование централизованной и индивидуальной системы управления
Стандарт X10
X10 - это международный открытый индустриальный стандарт, применяемый для связи электронных устройств в системах автоматизации. Стандарт X10 определяет методы и протокол передачи сигналов управления электронными модулями, к которым подключены бытовые приборы, с использованием обычной электропроводки или беспроводных каналов.
Стандарт X10 был разработан в 1975 году компанией Pico Electronics (Гленротс, Шотландия) для управления домашними электроприборами.
В наши дни стандарт остается одним из самых популярных, хотя есть ряд альтернатив из более широкими возможностями: KNX, INSTEON, BACnet и LonWorks.
Для связи модулей сети X10 используется обычная электрическая сеть. Закодированные цифровые данные передаются c помощью радиочастотного импульса вспышки частотой 120 кГц, длительностью 1мс и синхронизированы с моментом перехода переменного тока через нулевое значение. Сами модули сети обычно просто вставляются в розетку, хотя существуют более сложные встраиваемые модули, например заменяемые розетки, выключатели и т.п.
Относительно высокая несущая частота не позволяет сигнала распространяться через трансформаторы или между фазами в многофазных сетях и сетях с расщепленной фазой.
Z-WAVE
Z-Wave является запатентованным беспроводным протоколом связи, разработанным для домашней автоматизации, в том числе для контроля и управления на жилых и коммерческих объектах. Технология использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства, такие как освещение, отопление, контроль доступа, развлекательные системы и бытовую технику.
Z-Wave - это беспроводная радио технология, разработанная специально для дистанционного управления. В отличие от Wi-Fi и других IEEE 802.11 стандартов передачи данных, предназначенных в основном для больших потоков информации, Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирована для передачи простых управляющих команд (например, включить / выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). Выбор низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave обусловливается малым количеством потенциальных источников помех (в отличие от установленного диапазона 2,4 ГГц, в котором приходится принимать меры, уменьшающие возможные помехи от работающих различных бытовых беспроводных устройств - Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth ).
Также другими преимуществами Z-Wave можно отметить малое потребление энергии, низкую стоимость производства и встраивания Z-Wave в различные бытовые устройства.
В мире насчитывается более 200 производителей, которые предлагают товары с Z-Wave чипами или модулями. Отличительной особенностью Z-Wave является то, что все эти продукты совместимы между собой.
В основе решения Z-Wave лежит ячеистая сетевая технология mesh, в которой каждый узел или устройство может принимать и передавать сигналы других устройств сети, используя промежуточные соседние узлы. Mesh это самоорганизующаяся сеть с маршрутизацией, зависимой от внешних факторов - например, при возникновении препятствия между двумя ближайшими узлами сети, сигнал пойдет через другие узлы сети, находящиеся в радиусе действия.
RFID
RFID (англ. Radio frequency identification) - радиочастотная идентификация.
Радиочастотной распознавание осуществляется с помощью закрепленных за объектом специальных меток, несущих идентификационную и другую информацию. Об этом методе, который уже стал основой построения современных бесконтактных информационных систем, и имеет устойчивую название RFID-технологии.
Патент США Марио Кардулло (Mario Cardullo) № 3,713,148 от 1973 («Пассивный радиопередатчик с памятью»), был, по сути, прародителем современной RFID-технологии. Впервые пассивное устройство на отраженной энергии был продемонстрирован в 1971 году властям Нью-Йорка и другим потенциальным покупателям как устройство с 16 битами памяти для пошлины на дорогах. Патент Кардулло покрывает использование радиоволн, света и звука как средство передачи информации.
Оригинальный бизнес-план был представлен инвесторам в 1969 для использования в сфере транспорта (идентификация самоходных машин, автоматическая платежная система (пошлины), электронные номерные знаки, электронные платежные ведомости, вождение машин, мониторинг состояния транспортных средств), в банковском деле (электронные книги проверок, электронные кредитные карты), в сфере безопасности (персональная идентификация, автоматические ворота, наблюдение) и в медицине (идентификация пациента, истории болезни).
Первая демонстрация современным RFID-чипов (на эффекте обратного рассеяния), как пассивных, так и активных, была проведена в Исследовательской Лаборатории Лос Аламоса (англ. Los Alamos Scientific Laboratory) в 1973 году. Портативная система работала на частоте 915 МГц и использовала 12 битных меток.
Первый патент, связанный собственно с названием RFID, был выдан Чарльзу Уолтону (Charles Walton) в 1983 году (патент США за № 4,384,288).
Рис. 4. RFID средства авторизации
Основные преимущества RFID-технологии
для RFID не нужен контакт или прямая видимость;
RFID-метки читаются быстро и точно (приближаясь к 100%-ной идентификации);
RFID может использоваться даже в агрессивных средах, а RFID-метки могут читаться через грязь, краску, пар, воду, пластмассу, древесину;
пассивные RFID-метки имеют фактически неограниченный срок эксплуатации;
RFID-метки несут большое количество информации и могут быть интеллектуальными;
RFID-метки практически невозможно подделать;
RFID-метки могут быть не только для чтения, но и с записью информации;
Технологические особенности. Реализация и целесообразность внедрения.
Освещение офисных помещений, коридоров, подвальных и складских помещений требует значительных энергетических ресурсов. Даже с учетом энергосбережения с помощью современных газоразрядных люминесцентных ламп, расходы на освещение все равно значительны. Технологии освещения на базе твердотельных полупроводниковых источников света позволяют решить эту проблему и сэкономить в 10-12 раз больше электроэнергии по сравнению с лампами накаливания и в 3-4 раза больше по сравнению с люминесцентными лампами, сейчас активно внедряются и не являются экологически безопасными при использовании и утилизации . Так что я предлагаю, для уменьшения использования энергии именно на освещение офисов, рабочих мест, станков и т.д. использовать совокупность технологий которые обсуждались в предыдущем разделе.
Вот что я предлагаю в этой сфере:
Базой освещения будет использование светодиодных светильников как самих перспективных, поскольку они могут иметь любую температуру свечения, поскольку на различных учреждениях в связи с особенностями работы требуется разная температура свечения. Так как утомляемость глаз при интенсивном зрительной нагрузке уменьшается при уменьшении температуры свечения поскольку чувствительность глаза к сине-фиолетового спектра является отличной от других благодаря феномену Пуркинье и благодаря особенности построения сетчатки глаза человека в сине-фиолетовом спектре глаз больше напрягается что приводит к повышению утомляемости. Таким образом использование светодиодных ламп по последним технологиям способно сэкономить энергию, снизить зрительное напряжение и повысить производительность.
Также целесообразно использование централизованной системы управления освещением на системах Х10 или Z-WAVE, что позволяет оперативно управлять светом в зависимости от потребностей, то есть можно сделать систему регулирующего уровень внутренней подсветки помещения в зависимости от внешнего света, или автоматическое управление освещением в помещениях. Использование Х10 или Z-WAVE зависит от особенности построения предприятия. Например если линия электрической сети в масштабах данного здания не имеет трансформаторов или разрывов то целесообразнее использовать Х10 поскольку реализация управления на этом протоколе есть дешевле. Но Z-WAVE использующий MESH-сети является универсальной поскольку может управлять потребителями на всем ПРЕДПРИЯТИЙ и не зависит от существующей силовой сети, но значительно дороже.
Если протоколы Х10 и Z-WAVE обеспечивают централизованное управление освещением и другими потребителями то технология RFID позволяет организовать децентрализованное.
Суть в том, что много энергии впустую расходуется на рабочем месте в случае отсутствия работника за ним - освещение рабочего места, работа приборов вот только несколько источников потерь энергии. Именно применение индивидуальных RFID карт, браслетов, маяков идентификации средней дальности, вшитых в одежду позволят не только вычислять рабочее время и перерывы для полного видения эффективности труда группы работников и каждого в отдельности или регламентировать права доступа в помещение или к техническим средствам, но и автоматически управлять потребителями энергии на рабочем месте и в других местах (туалет, склад, подсобные комнаты). В данном случае я предлагаю использовать полупассивным RFID метки диапазона HF (13,56 МГц), поскольку они могут быть считаны на значительном расстоянии, дешевые, а также возможность использования стандарта ISO 14443 что обеспечивает высокую надежность и безопасность.
Целесообразность использования зависит от предприятия так окупаемость таких комплексных систем 5-10 лет с возможной работой более 20 лет. То есть такой подход к организации систем освещения может приносить весьма значительную экономию средств за счет обеспечения работы на отказ и значительно ниже энергопотреблению за счет совокупности централизованного и локального управления, большей коэффициента полезного действия и значительных преимуществ применения светодиодов перед классическими источниками света.