автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности энергоснабжения лесных пасек на базе комбинированных с ветроэлектрогенератором гелиоустановок

На правах рукописи

т/10^

ОСТАШЕНКОВ АЛЕКСЕЙ ПЕТРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПАСЕК НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННЫХ С ВЕТРОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ ГЕЛИОУСТАНОВОК

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 АПР 2015

005567248

Йошкар-Ола - 2015

005567248

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Марийский государственный университет».

Научный руководитель: Рыбаков Леонид Максимович,

доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Воробьев Виктор Андреевич,

доктор технических наук, профессор кафедры «Электропривод и электротехнологии», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет -МСХА им. К.А. Тимирязева», институт механики и энергетики им. В.П. Горячкина

Ахметшин Роберт Султанович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Набережночелнинский институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» Защита диссертации состоится «5» июня 2015 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, д.29, ауд. 222. Факс: (8352)62-23-34; e-mail: info@academy21.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГСХА сети интернет по адресу: academy21 .ru в разделе «Диссертационные советы» от 20 января 2015 г. Автореферат разослан « ^ _» ы-nr-g л я 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Алатырев С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время, в связи с увеличением количества фермерских хозяйств, потребность в применении автономных энергогенерирующих установок в сельскохозяйственном секторе экономики многократно возросла. Так, в республике Марий Эл численность лесных пасек насчитывает 300 шт. В Приволжском федеральном округе число пасек составляет 2500 шт. В этой связи особую привлекательность получают альтернативные варианты энергоснабжения удаленных потребителей на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В контексте рассмотрения лесных пасек наиболее доступными видами возобновляемой энергии являются энергия солнечного излучения, ветра и биотоплива, что обусловлено как требованиями к размещению хозяйств, так и традиционным местоположением пасек в Российской Федерации в областях с относительно высокой инсоляцией и умеренными скоростями ветра В этой связи создаются предпосылки к применению автономного энергогенерирующего оборудования на основе ВИЭ. Причем следует отметить перспективность применения данного подхода к энергоснабжению в зимние периоды, когда требуется непрерывное функционирование оборудования предназначенного для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев. По оценкам специалистов, в течение проведения зимовки пчелиных семей должна поддерживаться температура +5° С и относительная влажность воздуха 80%.

Растущая потребность пасечных хозяйств в применении автономных энергогенерирующих комплексов на базе ВИЭ в зимний период диктует необходимость повышения эффективности данных систем, что возможно путем оптимизации их параметров. В этой связи настоящие исследования были посвящены рассмотрению подходов к проектированию комплекса для энергоснабжения лесных пасек в зимний период, разработке и оптимизации его технических параметров.

Степень разработанности темы. Разработкам научных основ создания и использования технических средств на базе возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве посвящены работы Д.С. Стребкова, П.П. Безруких, P.A. Амерханова, Н.И. Богатырева, С.М. Воронина и др. Построению автоматизированных систем в сельском хозяйстве посвящены работы В.Р. Крауспа, A.B. Дубровина. Микроклимат пчелиных ульев подробно рассмотрен в научных трудах Е.К. Еськова, И.С. Захарова, А.И. Касьянова. Управление жизнедеятельностью пчелиных семей подробно рассмотрено в работах А.Ф. Рыбочкина. Однако в научных трудах не рассматриваются перспективы применения автономных энергогенерирующих установок на базе ВИЭ для обеспечения функционирования технических средств для поддержания оптимального микроклимата пчелиных ульев. Отсутствует методика математического моделирования работы

гибридных установок на базе ВИЗ, учитывающая необходимость обеспечения оптимальных температуры и влажности внутри пчелиных ульев.

Научной основой являются положения теории технологических процессов пчеловодства, теории систем солнечного тепло- и электроснабжения, ветрогенераторов, теории кондиционирования воздуха.

Целью работы является повышение эффективности энергоснабжения лесных пасек за счет разработки автономного комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки, обеспечивающего оптимальный микроклимат пчелиных ульев.

Исходя из вышеизложенного, были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать техническое решение комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев.

2. Разработать математическую модель функционирования комплекса, устанавливающую количественную взаимосвязь между техническими параметрами комплекса и показателями его эффективности при условии обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев, и выполнить параметрическую оптимизацию разработанных технических и технологических решений с учетом вариативности климатических условий, в которых функционирует комплекс.

3. Разработать экспериментальный образец комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев и провести полигонные экспериментальные исследования его функционирования.

4. Выполнить оценку экономической эффективности применения комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев.

Объектом исследований является комплекс для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки.

Предметом исследований являются качественные и количественные закономерности и зависимости, связывающие технические параметры комплекса и показатели его эффективности при условии обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев.

Научная новизна диссертационного исследования определяется тем, что впервые:

1. Разработана математическая модель функционирования комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев, отличающаяся тем, что она позволяет установить количественные закономерности и зависимости, связывающие технические параметры комплекса и показатели его эффективности.

2. Разработана методика параметрической оптимизации технических решений, обеспечивающая нахождение оптимальных, с точки зрения эффективности функционирования комплекса, сочетаний значений его технических параметров.

3. Проведены полигонные экспериментальные исследования функционирования экспериментального образца комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев.

Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке:

-технических и технологических решегаш, а также в обосновании оптимальных значений технических параметров комплекса, обеспечивающих повышение эффективности энергоснабжения лесных пасек;

- методик инженерного проектирования технических средств для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют пункту «Разработка способов применения, исследования средств электротехнологий и режимов работы электрических осветительных, облучательных, обогревательных, кондиционирующих установок в растениеводстве и животноводстве» и пункту «Разработка методологических основ создания надежного и экономичного энерго- и электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, разработка новых технических средств» из паспорта специальности 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве.

Методы исследования. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования выполнены методами математического моделирования работы комплексов, основанными на функциональном анализе и анализе трансформаций предмета труда и энергии, с применением методов имитационного моделирования систем с выраженными стохастическими свойствами и методов параметрической оптимизации. Экспериментальные исследования выполнены методами наблюдений за изменением энергетических характеристик экспериментального образца комплекса в полигонных условиях.

Положения, выносимые на защиту:

- технические и технологические решения, обеспечивающие оптимальные значения параметров микроклимата пчелиных ульев;

- математическая модель функционирования комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев;

- методика оптимизации технических параметров комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев;

-результаты экспериментальных исследований функционирования комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки.

Достоверность научных результатов обеспечена их непротиворечием имеющимся знаниям в области технологии пчеловодства, а также сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВПО «МарГУ», ФГБОУ ВПО «ПГТУ» 2011-2014 гг.;

- II, III Международных молодежных научных конференциях «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова, г. Саратов, 2011-2012 гг.);

- VII, VIII Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, 2012-2013 гг.);

- Международной научно-практической конференции «Наука, образование и техника: итоги 2013 года» (г. Донецк,15-17 декабря 2013 г.);

- XXI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2014» (Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва, 7-11 апреля 2014г.).

-V Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве», (ФГБНУ ВИЭСХ, г. Москва, 16-17 декабря 2014 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 6 работ в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации, три свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы (110 наименований) и 5 приложений; общий объем диссертационной работы 177 страниц, включая 57 рисунков и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена характеристика лесных пасечных хозяйств, выполнен анализ информационных источников, касающихся количества и распределения пасек по территории Российской Федерации. Рассмотрены ресурсы возобновляемых источников энергии с привязкой к размещению пасечных хозяйств. Дана оценка валового потенциала солнечной и ветровой энергии для областей с развитым пчеловодством. Рассмотрены методы разработки автономного комплекса

для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки.

Метеорологическим аспектам применения ВИЭ посвящены работы А.И. Семенова, Ю.А. Железнова, А.Х. Хргиана, З.И. Пивоваровой, В.Т. Фомичева. Разработкам научных основ создания и эффективности использования средств на базе возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве посвящены работы Д.С. Стребкова, П.П. Безруких, P.A. Амерханова, Н.И. Богатырева, С.М. Воронина, О.В. Григораша, В.П. Харитонова, JI.A. Саплина, Б.В. Лукутина, Е.М. Фатеева, В.Э Степанова, А.И. Кирюшатова, Н.В. Красновского, И.Я. Шеффера и др.

Созданию систем энергоснабжения сельскохозяйственных объектов на основе ВИЭ посвящены научные труды A.A. Тарана, П.В. Коноплева, А.Х. Тлеулова, А.П. Жогалева, А.К. Сокольского, Н.С. Овсянникова и др. Построению автоматизированных систем в сельском хозяйстве посвящены работы В.Р. Крауспа, A.B. Дубровина.

Микроклимат пчелиных ульев подробно рассмотрен в научных трудах Е.К. Еськова, И.С. Захарова, А.И. Касьянова. Управление жизнедеятельностью пчелиных семей подробно рассмотрено в работах А.Ф. Рыбочкина.

Выводы: 1) Решение проблемы энергообеспечения удаленных от сетей централизованного энергоснабжения лесных пасек в настоящее время выдвигается на первое место. 2) Актуальна задача энергоснабжения пасечных хозяйств при зимовке пчелиных семей на открытом воздухе. 3)Для выполнения функций энергоснабжения лесных пасек наибольшее предпочтение имеют системы на основе возобновляемых источников энергии, что обеспечивает реализацию ресурсосберегающих технологий и позволяет снизить негативное экологическое воздействие на окружающую среду. 4) Существующие системы энергоснабжения пасечных хозяйств не адаптированы для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев в условиях зимовки пчел на открытом воздухе. 5) Существуют предпосылки к разработке комплекса для энергоснабжения лесных пасек на основе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки, включающего в себя аккумуляторы энергии, отличающийся наличием системы для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев.

Вторая глава посвящена исследованию процессов преобразования солнечной и ветровой энергии в комплексе для обеспечения оптимального микроклимата пчелтшх ульев. Структура автономного комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки представлена на рисунке 1.

1 7

| -> • - -> " ° | " Ч

§ ' . I. ;

Рисунок 1 - Структура комплекса Ветроэлектрическая установка 6 (ВЭУ) и фотоэлектрический модуль 4 (ФМ) генерируют электрическую энергию путем преобразования соответствующих видов возобновляемой энергии, и передают ее посредством проводов через систему управления 7 аккумуляторным батареям 5 (АКБ). Вакуумный солнечный коллектор 3 (СК) собирает тепловую энергию Солнца и передает ее посредством трубопроводов через теплообменник 2 тепловому аккумулятору 1 (ТА). Далее тепловая энергия передается потребителю (ульям). Контролируется данный процесс с помощью автоматической системы управления подачей теплоносителя в ульи 8 (САУ), функционирование которой обеспечивается за счет энергии, накопленной в аккумуляторных батареях 5.

Для исследования процесса функционирования комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной в ветроэлектрогенератором гелиоустановки разработана математическая модель. Целью моделирования является описание качественных и количественных зависимостей, связывающих технические параметры комплекса и показатели его эффективности при условии поддержания оптимального микроклимата пчелиных ульев. Математическая модель функционирования комплекса включает модели отдельных элементов в составе энергогенерирующей системы. В рамках моделирования работы комплекса проводится имитация процессов функционирования солнечного коллектора, теплопотребления пчелиными ульями. Кроме того математическая модель комплекса включает модели генерирования электрической энергии ВЭУ и ФМ. Ключевыми являются имитационные модели состояния теплового и электрического аккумуляторов.

Вышеприведенные модели описываются следующими зависимостями.

Уравнение изменешш тепловой мощности, необходимой для поддержания нормируемого температурного режима пчелиной семьи в условиях улья, расположенного на открытом воздухе (Чистович, С.А. Автоматическое регулирование расхода тепла в системах теплоснабжения и отопления [Текст] / С.А. Чистович. — Л.: Стройнздат, 1975. - 158 е.):

Р = свРМ[(Т - r0)(2(v + u) + S) + Y(w - w0) - рв], (1)

Рв 2.25 . £ V U „ „

где рв = —— , Y = —, о = —, v = —, и = —, Р - мощность управляемого источника тепла, Вт; г° СврМ ' свр' свр м м J г

св - теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг К); р - плотность сухого воздуха, кг/м3; M - объем улья, м3; Т - температура внутри улья, К; Т0 - температура наружного воздуха, К; U - воздухоподача вытяжных вентиляторов, м3/ч; V - воздухоподача приточных вентиляторов, м3/ч; е — коэффициент тепловых потерь через ограждающие конструкции; w - влагосодержание внутри улья, г/м3; w0 -влагосодержание наружного воздуха, г/м3; Рв - мощность неуправляемого источника тепла, Вт.

Уравнение состояния теплового аккумулятора (Бекман, У.А. Расчет систем солнечного теплоснабжения / У.А. Бекман, С.А. Клейн, Дж. А. Даффи. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 79 е.):

/ 1+у<Иб г. \

г - (л г'^1 | 0 г'килто от \ „ ft п

где U - полный коэффициент тепловых потерь солнечного коллектора, Вт/(м2 К); А - площадь

2 , FÎUA+UfAt 6

апертуры солнечного коллектора, м ; f = —^ у , с £ - удельная теплоемкость теплоносителя в

аккумуляторе, кДж/(кг-К); р6 - плотность теплоносителя в аккумуляторе, kt/mj; V6 - объем бака, м3; Uj - полный коэффициент тепловых потерь теплового аккумулятора, Вт/(м2 К); Л6 - площадь теплового аккумулятора, м2; Fh - коэффвдиент, уч1ггывающий влияние теплообменника; FR -коэффициент отвода теплоты от солнечного коллектора; Es - плотность потока солнечной радиации, ГДж/м2; аг - поглощательная способность солнечного коллектора; QT - количество теплоты, поступающей к потребителю из аккумулятора, ГДж/ч; Тба - температура теплоносителя в аккумуляторе в начале шага моделирования, К; 7"„ - температура наружного воздуха, К. Моделирование работы теплового аккумулятора осуществлялось с учетом: -теплового потока от солнечного коллектора, при этом были учтены тепловые потери солнечного коллектора в результате нагрева приемной поверхности, а также потери теплоты в теплообменнике «солнечный коллектор - тепловой аккумулятор»;

- теплового потока от теплового аккумулятора в окружающее пространство; -теплового потока к потребителю с учетом потерь тепловой энергии в теплообменнике «тепловой аккумулятор - потребитель».

Моделирование работы системы электроснабжения осуществлялось следующим образом. В рамках шага моделирования определялись усредненные мощности ВЭУ и ФМ, затем составлялся баланс потребления и генерирования электрической энергии с учетом потерь в отдельных элементах электроэнергетической системы. Затем осуществлялось определение состояния аккумуляторной батареи в конце шага моделирования с учетом требований к минимальному уровню заряда АКБ. Далее измененное состояние электрического аккумулятора в конце шага моделирования подставляется в расчетную часть на следующем шаге моделирования.

Мощность ветроэлектрогенератора определялась исходя из выражения:

_ (Ири1

<ВЗУ — - , (■>)

где ( — коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока; ^ - ометаемая ветроколесом площадь м2; р - плотность воздуха кг/м3; и - скорость ветра, м/с.

Мощность ФМ определялась исходя из выражения:

Рфм = Ат]Р,, (4)

где А - площадь апертуры фотоэлектрического модуля, м2; г] - КПД фотоэлектрического модуля; Р5 - плотность потока солнечного излучения, Вт/м2.

Электрическая нагрузка определялась исходя из выражения:

РИГ = [/ц^ + ^(2'вент + /сау)]У„ом. (5)

где /ц - номинальный ток циркуляционного насоса солнечного коллектора, А; - коэффициент использования циркуляционного насоса солнечного коллектора; N — количество пчелиных ульев; /вент _ номинальный ток приточного и вытяжного вентиляторов (2/вент - соответствует компоновке комплекса, когда применяется по одному приточному и вытяжному вентилятору на каждый улей), А; /САУ - номинальный ток системы управления, А; £/ном - номинальное напряжение, В.

Мощность электрических потерь в рамках шага моделирования определялась по формуле:

^потерь = [ДА + АЧ2/ВСНТ + /сау)]2Дуд/, (6)

где йуд - удельное сопротивление соединительных проводов, Ом/м; I - длина соединительных проводов, м.

На рисунке 2 представлены графики изменения среднесуточных значений температуры теплоносителя теплового аккумулятора Тта, напряжения на АКБ идкв, мощности ФМ и ВЭУ, потребляемой электрической энергии в течение периода моделирования функциошфования комплекса для условий республики Марий Эл. Параметры отдельных изделий в составе комплекса: площадь апертуры ФМ и СК - 1,3 м2 и 2,15 м2 соответственно, ометаемая площадь

ВЭУ -4м, емкость АКБ - 50 А-ч, объем бака ТА -1м. Моделирование работы комплекса проводилось исходя из необходимости поддержания оптимального микроклимата одного пчелиного улья.

297 296 295 294

* 293 <

£ 292 291 290 289 288

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр Временной интервал моделирования, дни

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр Временной интервал моделирования, дни

б)

90

80

70

£ 60

■О ь- 50

¥

=г 4U

о

¡2 30

20

10

0

-Мощность ВЭУ, Вт

— — Мощность ФМ, Вт /

/

/

7

/

/

N S

ч , '

700

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр Временной интервал моделирования, дни

в)

450 ----

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр Временной интервал моделирования, дни

Рисунок 2 - Результаты моделирования работы комплекса Для нахождения оптимальных параметров комплекса разработана методика оптимизации. Оценка эффективности функционирования автономного комплекса рассматривается в двух аспектах: в отношении преобразования и передачи энергии и в отношении удельного расхода материальных ресурсов. В этой связи были выбраны два критерия, характеризующие эффективность для каждого аспекта функционирования комплекса, - коэффициент полезного действия и материалоемкость.

В перечень оптимизируемых параметров автономного комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев входят площадь апертуры ФМ, ометаемая площадь ВЭУ, площадь апертуры СК, емкости электрического и теплового аккумуляторов. Зависимости критериев оптимальности от оптимизируемых параметров приведены в уравнениях 7 и 8:

_ Рвэу+Рдм+Рск Рвэу+Рфм+Рск+Рпотерь'

где г; - к.п.д, комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев; Рвэу -мощность ветроэлектрической установки, Вт; Рфм - мощность фотоэлектрического модуля, Вт; РСк ~ мощность солнечного коллектора, Вт; Рпохерь - мощность потерь энергии, Вт.

" = (8) где М - материалоемкость комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев; тг - масса /-го элемента комплекса, кг; N - количество пчелиных ульев, шт.

Исходя из вышеприведенных зависимостей, целевые функции поиска оптимальных параметров автономного комплекса, в общем виде можно записать следующим образом:

П=/(х11х2...хп)-*тах, (9)

М =/(х1,х2 ...х„)->тп£п. (10)

Для нахождения зависимостей между величинами оптимизируемых параметров и массами отдельных структурных элементов комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев было проведено исследование в области номинальных рядов серийно выпускаемых ФМ. ВЭУ, СК, аккумуляторов энергии.

Методика исследования в области номинальных рядов отдельных технических изделий в составе комплекса включала следующие этапы:

- сбор информации о серийно выпускаемых на сегодняшний день компонентах комплекса;

- обработка данных о технических параметрах изделий;

- построение искомых зависимостей между массами отдельных изделий и их техническими параметрами;

- выявление тенденций изменения масс в зависимости от варьирования оптимизируемых параметров.

При этом были найдены следующие зависимости, приведенные на рисунке 3 (рисунки а - д графики зависимостей между массами отдельных элементов комплекса (включая вспомогательное оборудование) и значениями оптимизируемых параметров в рамках номинальных рядов серийно выпускаемых технических средств).

Масса ВЭУ, кг = Г (Ометаемая площадь ВЭУ, м2) 6000

5000

* 4000

>

т

ю 3000

Масса ФМ, кr = f (Площадь ФМ, м2)

2000

0,000

Масса 140,0 120,0 52 Ю0,0 о" 80,0

3 60,0 2 40,0 20,0 0,0

100,000 200,000 300,000 Ометаемая площадь ВЭУ, м2

а)

СК, кг = f (Площадь апертуры СК, м2)

0,00 2,00 4,00

Площадь апертуры СК, м2

В)

о

0,000

1,000 2,000 3,000

Площадь апертуры ФМ, м2 б)

Масса ТА, кг = f (Объем ТА, м3)

1800 1600 1400 >2 1200 [2 1000 3 800 § 600 400 200 0

ЛЛ-

5 10

Объем ТА, м3

Масса АКБ, кг = f (Емкость АКБ, А"ч)

100 200 Емкость АКБ, А-ч

Д)

Рисунок 3 - Зависимости масс от значений оптимизируемых параметров Оптимизация проводилась методом полного перебора возможных сочетаний значений оптимизируемых параметров и подстановке их в математическую модель функционирования

комплекса. По завершении процесса оптимизации для выбранного диапазона варьирования оптимизируемых параметров определялось множество значений критериев эффективности. Затем определялось множество оптимальных по Парето значений целевых функций, каждому из которых соответствует определенное сочетание значений оптимизируемых параметров. Последнее подразумевает нахождение множества решений, при котором каждое состояние системы, характеризующееся соответствующими значениями целевых функций, не может быть улучшено без ухудшения значений какого-либо показателя эффективности.

Пример графического представления результатов оптимизации значений технических параметров комплекса представлен на рисунке 4.

0,600

0,590

0,580

Ч 0,570 с

X 0,560 0,550 0,540

0,530

650,000

/Л',-"-'""

-"'Л**/

.....«*»

" ■ ч

ДА

0,600 0,590 0,580

Ч

И 0,570

14

0,560 0,550 0,540

850,000 1050,000 Материалоемкость а)

1250,000

718,143 767,150 810,433 868,144 Материалоемкость б)

Рисунок 4 — Множество значений целевых функций: а) результаты полного перебора; б) множество оптимальных по Парето значений целевых функций.

Для оценки эффективности функционирования комплекса в различных природно-климатических, медосборных и хозяйственных условиях проведено исследование функционирования комплекса для условий Хабаровского края, Кабардино-Балкарии, Смоленской области, республики Марий Эл.

Вывод. 1) Разработанная математическая модель позволяет определить характер качественных и количественных зависимостей, связывающих технические параметры комплекса и его показатели эффективности при условии поддержания оптимального микроклимата пчелиных ульев. 2) Оптимизация технических параметров комплекса позволяет подобрать оптимальное соотношение значений параметров оборудования в соответствии с целевыми функциями оптимизации. В расчете на 18 ульев для климатических условий республики Марий Эл оптимальными параметрами комплекса являются: площадь апертуры ФМ 2,594 м2, площадь

апертуры СК 1,91 м2, ометаемая площадь ВЭУ 0,785 м2, емкость АКБ 35 А-ч, объем бака ТА 0,3 м3. 3) Предложенные соотношения технических параметров комплекса обеспечивают соотношение КПД и материалоемкости (КПД\М кг/улей) соответственно для Хабаровского края 0,604X41,016; для Кабардино-Балкарии 0,553\41,818; для Смоленской области 0,604\41,016; для республики Марий Эл 0,618\41,016.

В третьей главе представлено описание экспериментальных исследований функционирования автономного комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев. Для проведения исследований был скомпонован экспериментальный образец комплекса из отдельных изделий со значениями номинальных параметров, соответствующими значениям входных факторов математической модели. Внешний вид экспериментальной установки представлен на рисунке 5.

Заслонка воздуховода с сервоприводом

Вентилятор

Фотоэлектрический модуль

Воздушный фильтр

Воздуховод подачи теплого воздуха

Солнечный коллектор

Ветроэлектрическая установка

Блок управления

Рисунок 5 - Внешний вид экспериментальной установки Комплекс был оборудован датчиками температуры и влажности, при помощи которых измерялись параметры наружного воздуха и воздуха внутри улья, а также эксплуатационные параметры комплекса для обеспечения оптимального микроклимата. В состав измеряемых эксплуатационных параметров входили: температура теплоносителя ТА. напряжение на выводах АКБ, выходной ток ФМ и ВЭУ, количество электрической энергии переданной нагрузке. Порядок проведения экспериментальных исследований заключался в следующем. На экспериментальном полигоне был установлен улей системы Дадана в условиях, соответствующих зимовке пчелиных семей на открытом воздухе. Был произведен монтаж воздуховодов и другого технологического оборудования, относящегося к комплексу, на пчелиный улей. Длительность проведения опыта соответствовала периоду зимовки пчелиных семей.

Вывод. Разработан экспериментальный образец комплекса для обеспечения оптимального климата пчелиных ульев. Проведены полигонные исследования функционирования комплекса, подтверждающие его работоспособность.

В четвертой главе представлен анализ экспериментальных данных. На рисунке 7 приведены результаты экспериментальных исследований работы комплекса.

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр Временной интервал моделирования, дни

а)

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр Временной интервал моделирования, дни

в)

700,00

650,00

12,80 12,70 12,60 <0 12,50 ^ 12,40 Э 12,30 12,20 12,10 12,00

2

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр Временной интервал моделирования, дни б)

ш

25,00

2 20,00 л

В 15,00

1 10,00

2

5,00 0,00

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр Временной интервал моделирования, дни

г)

500,00 450,00

14 14 14 14 14 14 14 окт ноя дек янв фев мар апр

Временной интервал моделирования, дни Д)

Рисунок 7 - Результаты экспериментальных исследований функционирования комплекса На графиках (рисунок 7) красным цветом обозначены результаты экспериментальных исследований, синим - результаты моделирования функционирования комплекса для условий, соответствующих условиям проведения полигонных исследований.

Полученные экспериментальные графики аппроксимируются полиномами вида (11-15) с достоверностью аппроксимации не менее 0,95.

— изменение температуры теплоносителя теплового аккумулятора:

ГТА= -1Е-11х6 + 6Е-09х5 - 1Е-06х4 + 0,0001х3 - 0,0026х2 - 0,1155х + 296,49; (11)

— изменение напряжения на АКБ:

иАКБ= 2Е-12х6 - 1Е-09х5 + 2Е-07х4 - 2Е-05х3 + 0,001х2 - 0,0219х + 12,514; (12)

— изменение мощности ФМ:

РФМ= ЗЕ-11х6 - 1Е-08х5 + ЗЕ-06х4 - 0,0002х3 + 0,0067х2 - 0,0965х + 29,981; (13)

— изменение мощности ВЭУ:

Рвзу= ЗЕ-11х6 - 1Е-08х5 + ЗЕ-06х4 - 0,0002х3 + 0,0067х2 - 0,0965х + 29,981; (14)

— изменение потребляемой электрической энергии:

(?эл= -7Е-12х6 + 5Е-08х5 - 2Е-05х4 + 0,004х3 - 0,2661х2 + 4,1927х + 611,47. (15)

Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований показало их совпадение в пределах 5%, что позволяет сделать вывод о достоверности результатов, получаемых с использованием математической модели функционирования комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки.

В пятой главе дана оценка экономической эффективности использования комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев. Чистый дисконтированный доход в расчете на 18 ульев составляет 60739 руб., срок окупаемости 8,49 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Повышение эффективности энергоснабжения лесных пасек путем применения комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические решения, имеющие существенное значение для экономики отрасли. Программные продукты, разработанные в рамках выполнения научно-квалификационной работы, защищены свидетельствами о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Теоретические и экспериментальные исследования по рассмотренной теме позволили получить следующие результаты.

1. Разработано техническое решение комплекса для обеспечения оптимального микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки.

2. Разработанная математическая модель функционирования комплекса позволила установить количественную взаимосвязь между техническими параметрами комплекса и

показателями его эффективности при условии поддержания оптимального микроклимата пчелиных ульев. Определены оптимальные по критериям материалоемкости и коэффициента полезного действия технические параметры отдельных изделий в составе комплекса. В расчете на 18 ульев оптимальными параметрами комплекса являются: площадь апертуры ФМ 2,594 м2, площадь апертуры СК 1,91 м2, ометаемая площадь ВЭУ 0,785 м2, емкость АКБ 35 А-ч, объем бака ТА 0,3 м3. Предложенные соотношения технических параметров комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки обеспечивают соотношение КПД и материалоемкости (КПД\М (кг/улей)) соответственно для республики Марий Эл 0,618X41,016; для Хабаровского края 0,604\41,016; для Кабардино-Балкарии 0,553\41,818; дня Смоленской области 0,604\41,016.

3. Разработан экспериментальный образец комплекса для обеспечения оптимального климата пчелиных ульев, проведены полигонные исследования, подтверждающие его работоспособность. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований показало их совпадение в пределах 5%, что позволяет сделать вывод о достоверности результатов, получаемых с использованием математической модели функционирования комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки.

4. Чистый дисконтированный доход от применения автономного комплекса на базе комбинированной гелиоустановки в расчете на 18 ульев составляет 60739 руб., срок окупаемости 8,49 лет.

Рекомендации.

1. При проведении зимовки пчелиных семей на открытом воздухе рекомендуется применение автономного комплекса для обеспечения оптимального микроклимата на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки.

2. При проектировании комплекса для конкретного пасечного хозяйства рекомендуется методика расчета оптимальных значений его технических параметров.

Перспективы дальнейшей разработки темы.

В дальнейшем предполагается изучение перспектив использования комплекса на базе комбинированной с ветроэлектрогенератором гелиоустановки для обеспечения оптимального микроклимата для зимовки пчелиных семей в условиях зимовника.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Осташенков, А.П. Экспериментальное исследование системы энергообеспечения пасечных хозяйств на базе комбинированной гелиоустановки / А.П. Осташенков // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - №08(102). - С. 193-206. -Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdi710.pdf.

2. Онучин, Е.М., Осташенков, А.П. Оптимизация технических параметров комплекса на базе комбинированной с ветроэлекгрогенератором гелиоустановки / Е.М. Онучин, А.П. Осташенков // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. -№08(102). С. 207-218. -Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/20M/OS/pdf?! 1 .pdf.

3. Онучин, Е.М., Медяков, A.A., Осташенков, А.П. Теоретическое исследование системы энергообеспечения пасечных хозяйств на базе комбинированной гелиоустановки / Е.М. Онучин, A.A. Медяков, А.П. Осташенков // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2014. -№07(101). - С. 100-114. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/07/pd£'06.pdf.

4. Сидыганов, Ю.Н., Онучин, Е.М., Осташенков, А.П. Оптимизация технических параметров системы энергообеспечения лесных пасек на базе комбинированной гелиоустановки / Ю.Н. Сидыганов, Е.М. Онучин, А.П. Осташенков // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». 2014. - Режим доступа: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2523.

5. Осташенков, А.П., Онучин, Е.М. Теплоснабжение зимовников пасечных хозяйств на базе каталитических устройств сжигания биогенных топлив / А.П. Осташенков, Е.М. Онучин // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - №05(089). - С. 1233-1249. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/05/pdf785.pdf.

6. Критерии эффективности технико-технологических систем на базе каталитических устройств сжигания биогенных жидких и газообразных топлив для теплоснабжения различных производственных объектов лесного и агропромышленного комплексов [Текст]/ Е.М. Онучин [и др.] // Научный журнал КубГАУ. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - №08(092). - С. 457-473.

Свидетельства

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013618520. Программа расчета теплового баланса солнечного коллектора / А.П. Осташенков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «МарГУ»; заявл. 26.07.2013; опубл. 10.09.2013.

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014616760. Программа расчета теплопроизводительности солнечного коллектора / А.П. Осташенков, А.И. Орлов, K.M. Воробьев; заявл. 14.05.2014; опубл. 3.07.2014.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014663229. Программа моделирования работы комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев / JI.M. Рыбаков, А.П. Осташенков; заявл. 30.10.2014; опубл. 22.12.2014.

Публикации в других изданиях

10. Онучин, Е.М., Осташенков, А.П. Автономный комплекс для контроля микроклимата пчелиных ульев [Текст] // Научный журнал «Аспект». — 2013. —№24. - С. 82-85.

11. Осташенков, А.П. Система теплоснабжения комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев [Текст]/ А.П. Осташенков // Материалы V Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК». - 2014. - С. 252-254.

12. Осташенков, А.П. Математическая модель функционирования системы энергоснабжения комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев [Текст]/ А.П. Осташенков // Материалы докладов IX Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». — Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2014. - С. 85.

13. Осташенков, А.П. Повышение эффективности энергоснабжения потребителей агропромышленного комплекса [Текст]/ А.П. Осташенков // Материалы докладов VIII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2013. - С. 64.

Подписано в печать 20.03.2015 г. Формат 60x84/16 Уч.-изд. л.1. Тираж 120 экз. Заказ № 3623. Отпечатано:

ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет». 424001, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 1.