630 A nimivooluga päikeseelektrijaama madalpingejaotusseadme optimeerimine

Pihu, Ats-Janno (2020) 630 A nimivooluga päikeseelektrijaama madalpingejaotusseadme optimeerimine. [thesis] [en] Optimization of a 630 A Rated Low Voltage Switchboard Intended for a Solar Power Plant.

[thumbnail of lõputöö - digidoc] PDF (lõputöö - digidoc) - Published Version
Restricted to repository personnel only until 25 May 2030.

Download (3MB)

Abstract

Lõputöö raames optimeeriti Harju Elekter Elektrotehnika poolt toodetavat madalpingejaotusseadet, mida kasutatakse päikeseelektrijaamades. Neis jaamades on madalpingeseadmete puhul vaja arvestada maksimaalse koormatuse ja suurte temperatuuritõusudega, kuna päikeseelektrijaamades võivad päikesepaisteliste ilmadega kõik väljundfiidrid maksimaalselt koormatud olla. Optimeerimise peamine eesmärk oli toote omahinna langetamine. Lõputöö teemaks valiti „630 A nimivooluga päikeseelektrijaama madalpinge jaotusseadme optimeerimine“. Kuna päikeseenergia kasutamine elektri tootmiseks on tänapäeval väga aktuaalne teema ja seda ka Eestis, saigi otsustatud just päikeseelektrijaamadesse mõeldud jaotusseadet optimeerida. Püstitati esialgne hüpotees, et seadme omahinda on võimalik vähendada vähemalt 10% võrra nii, et see ka temperatuuritõusukatsed läbib. Lõputöö tulemusena sai hüpotees osaliselt kinnitatud, kuna seadme omahind uue lahendusega langes veelgi rohkem, 14,5%, ent katsed ei õnnestunud täielikult. Lõputöös on välja toodud päikeseenergia osatähtsuse tõus energiaallikana nii globaalselt kui ka Eestis. Esitatud on päikeseelektrijaamade ning päikesepaneelide tööpõhimõtted, mille abil saab rohkem selgust, mis rolli täidab lõputöö raames käsitletav madalpingejaotusseade. Töötati välja uus lahendus, leides soodsamaid ning standardsemaid alternatiive olemasolevale lahendusele. Esmalt otsustati kasutada HETR-tooteseeria korpuseid, mis on odavamad ning lihtsamad kui olemasoleva lahenduse HEKL-tooteseeria korpused. Seejärel valiti soodne ning standardne sisendklemmide lahendus: Jean Mülleri kaablikingad, mis paigutatakse pealattidele üksteise alla. Selle lahendusega paranesid ka klemmide jahutustingimused. Järgmiseks leiti jaotusseadme kõikide komponentide, lattide ja sisendkaablite kaovõimsused ning teostati Rittal Therm programmiga soojusarvutused, et leida, kui kõrgeks tõuseb arvutuslikult jaotusseadme sisetemperatuur. Kuna arvutuste järgi oleks esimese sektsiooni sisetemperatuur olnud liialt kõrge (78 °C), otsustati sundjahutuse kasuks ning jaotusseadme küljele paigaldati ventilaator. Katselaboris viidi läbi soojuskatsed, et testida, kas temperatuuritõusud vastavad nõuetele. Tehti kaks katset: esimeses katses eraldas ventilaator jaotuskilbist sooja õhku välja, teises katses puhus ventilaator jaotuskilpi jahedat õhku sisse. Väiksemad temperatuuritõusud saavutati esimeses katses, ent siiski kuumenesid võimsuslüliti korpus ning L2 faasi sisendklemm veidi üle lubatu. Katsed loeti üldjoontes õnnestunuks, kuna lubatud temperatuuripiire ei ületatud suurel määral ning väikeste muudatustega on võimalik temperatuuritõusu vähendada. Võrreldi olemasoleva seadme lahenduse ning uue lahenduse montaažiaega. Eelneva lahenduse montaaž kestis 20 tundi, uue lahenduse montaaž võttis aega 27 tundi. Tulemus oli ootustele vastav, kuna uus lahendus on montööridele võõras ning ühe korpuse asemel on kasutatud kahte. Viimaks võrreldi olemasoleva ja uue lahenduse tootmise omahindasid. Jaotuskilbi kõikide komponentide hind langes 25,6%, mis on märkimisväärne saavutus. Montaaž osutus aga kallimaks, kuna võõra lahenduse kokkupanek võttis kauem aega. Montaaži hind kasvas 25,9%. Sellegipoolest terviku toote omahind langes 14,5%. Lõputöö tulemustele toetudes tehakse järgnevad ettepanekud: • proovida kasutada sisendi sektsioonis laiemat korpust, mis tagab parema jahutuse; • tõsta ventilaator teise sektsiooni küljelt esimese sektsiooni küljele, kuna esimeses sektsioonis saavutati kõrgemad temperatuurid; • lisada seadmele veel üks ventilatsiooniava, et parandada õhu liikumist; • viia läbi katsed proovides ka teiste tootjate võimsuslülititeid.

Abstract [en]

In the process of this thesis, a switchboard produced by Harju Elekter Elektrotehnika, which is intended for solar power plants, was optimized. In these powerplants, it is necessary to take into account the maximum load for low-voltage equipment, because in solar power plants, all output feeders can be maximally loaded in sunny weather. The main goal of the optimization was to lower the price of the product. The topic of the thesis is „Optimization of a 630 A rated low voltage switchboard intended for a solar power plant“. As the use of solar energy for electricity production is very actual these days, even in Estonia, it was decided to optimize a switchboard intended for solar power plants. An initial hypothesis was made that the production cost of the device can be reduced by at least 10% while it also passes the temperature-rise tests. As a result of the thesis, the hypothesis was partially confirmed, as the production cost of the device with the new solution decreased by even more, 14,5%, whereas the tests did not fully succeed. The thesis highlights the growing proportion of solar energy as an energy source both globally and in Estonia. The operating principles of solar power plants and solar panels are presented, which provides more clarity about the role of the low voltage switchgear discussed in the thesis. A new solution was developed, finding cheaper and more standard alternatives to the existing solution. First, it was decided to use the cabinets from the HETR product line, which are much cheaper and simpler than cabinets from the HEKL product line. Then a low-cost and standard incoming terminal solution was chosen: Jean Müller cable lugs which will be placed on the busbars under each other. This solution also improved cooling of the cable lugs. The power dissipation of all components, busbars and incoming cables of the switchgear were then determined and heat calculations were performed with the Rittal Therm program to find out how high the internal temperature of the switchgear would rise. As the temperature in section 1 was calculated to be too high (78 °C), a decision was made in favor of forced cooling and a fan was installed on the side of the switchboard. Thermal tests were performed in the laboratory to test whether the temperature rises would stay within limits of the requirements. Two tests were performed: in the first test, the fan extracted warm air from the switchboard, in the second test, the fan blew cool air into the switchboard. Smaller temperature rises were achieved in the first test, but the circuit breaker housing and the L2 phase incoming terminal overheated slightly. The tests were generally considered to be successful, as the permissible temperature limits were not exceeded in a large extent and it is possible to reduce the temperature rise with small modifications. The assembly time of the existing solution and the new solution were compared. Assembly of the existing solution took 20 hours, but assembly of the new solution took 27 hours. The result was to be expected, as the new solution is unfamiliar to production workers and two cabinets were used instead of one. Finally, the production costs of the existing and the new solution were compared. The price of all components of the switchboard fell by 25,6%, which is a significant achievement. However, the assembly cost turned out to be more expensive, as it took longer to assemble the new solution. The cost of assembly increased by 25.9%. Nevertheless, the production cost of the product as a whole decreased by 14,5%. Based on the results of the thesis, the following proposals are made: • a larger cabinet in the incoming section should be tried out for better cooling; • the fan should be moved from the side of the second section to the side of the first section, as higher temperatures were reached in the first section; • another ventilation opening should be added to the unit to improve air circulation; • tests should be carried out by experimenting with circuit breakers from other manufacturers.

Item Type: thesis
Advisor: Andres Mandre
Co-advisor: Marek Mägi
Subjects: Mechanical Engineering > Electrical Engineering and Electrical Equipment
Divisions: Institute of Engineering > Electrical Engineering
Depositing User: Ats-Janno Pihu
Date Deposited: 05 Jun 2020 08:22
Last Modified: 05 Jun 2020 08:22
URI: https://eprints.tktk.ee/id/eprint/5351

Actions (login required)

View Item View Item