автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодных светильников и резонансного источника питания

На правах рукописи

Михалев Александр Александрович

Разработка системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодных светильников и резонансного источника

питания

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 Ш 2014

Москва, 2014

005548824

005548824

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится «

кандидат технических наук, доцент, Юферев Леонид Юрьевич

Сторчевой Владимир Федорович

доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет МСХА им. К.А.Тимирязева» (РГАУ),

Войнова Екатерина Федоровна,

кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования и автоматики, ФГБОУ ВПО Российский государственный аграрный заочный университет (РГАЗУ)

Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донского государственного аграрного университета» в г. Зернограде

20

г. в

часов на

заседании диссертационного совета Д006.037.01 в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Автореферат разослан «_

2014 г.

Ученый секретарь . ^

диссертационного совета.

Некрасов Алексей Иосифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для правильного выращивания птицы, при всех типах содержания важную роль играет освещение, поскольку от него зависит комфортность и продуктивность стада. Оптимальность развития зависит не только от уровня освещенности и длительности светового дня, но и от спектра искусственного источника света.

При правильно подобранных характеристиках источника света уменьшается срок полового созревания, затраты на корм и потребление электроэнергии, увеличивается яйценоскость, размер и масса яиц и сохраняемость поголовья.

Роль освещения при выращивании кур часто недооценивают, несмотря на то, что еще несколько десятилетий назад была доказана эффективность введения научно обоснованных режимов освещения.

Традиционные системы освещения птицеводческих помещений выполняются в виде закрытых светильников с лампами накаливания мощностью 60... 100 Вт или на люминесцентных лампах.

В странах ЕС поставлена цель - сократить общий объём потребления электроэнергии на 20 % к 2020 г. Для этого были разработаны специальные директивы, регламентирующие деятельность в данном направлении. В России вступил в силу Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 года N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Одним из путей внедрения энергосберегающих технологий является применение светодиодных источников света.

При конструировании систем освещения на основе светодиодов появляются протяженные (во всю длину птичника - до 300 м) линии постоянного тока напряжением 24 вольта и линии управления величиной освещенности светодиодных светильников. При этом, для уменьшения потерь напряжения, приходится применять кабели с большим сечением (до 25 мм2). Эксплуатация данных систем показывает, что, несмотря на все усилия, принимаемые проектировщиками, имеется существенное отличие в светоотдаче первых и наиболее удаленных от источника питания светильников.

Из-за этого возникает необходимость поиска другой системы питания с возможностью плавного регулирования освещения. Одним из вариантов может стать резонансная система питания светодиодных светильников, разработанная в ГНУ ВИЭСХ.

В связи с этим возникают научные и практические задачи по разработке технических средств на базе резонансной системы освещения и современ-

ных светодиодов для применения в птицеводческих помещениях.

Разработка технических средств системы освещения птицеводческих помещений потребует научного обоснования конструктивных и технологических параметров светильников, системы питания, а также системы управления освещением. Этому посвящена настоящая диссертационная работа, что и определяет ее актуальность.

Работа выполнялась в рамках рабочей программы по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям на 2010 год№ 09.03.04.03.

Цель работы. Обоснование параметров и разработка системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов и резонансной системой питания источников света позволяющей снизить приведенные затраты, в том числе капитальные затраты и расход электроэнергии, а так же повысить яйценоскость птицы.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

— провести анализ существующих систем освещения помещений для выращивания птицы и обосновать актуальность и практическую значимость разработки системы освещения на основе светодиодов с резонансным источником питания;

— разработать математическую модель для расчета тепловых режимов работы светодиодов в светильниках для оценки срока службы;

— на основе математического моделирования и экспериментальных исследований обосновать конструктивно-технологические параметры системы освещения птицеводческих помещений, разработать и испытать экспериментальный образец;

— провести производственные испытания и оценить технико-экономическую эффективность внедрения предлагаемой системы освещения на основе светодиодных светильников с резонансной системой питания источников света.

Научную новизну работы представляют:

— резонансная система электропитания светодиодных светильников для освещения помещений с напольным выращиванием птицы и реализацией функции «Рассвет — Закат» (патент РФ №120307).;

— математическая модель теплового режима работы светодиодов в светильниках на основе уравнений Навье-Стокса и граничных условий;

— алгоритм работы системы управления освещением с резонансной системой питания светильников;

— методические положения применения системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов с резонансным источником питания.

Положения, выносимые на защиту:

- разработанная система освещения птицеводческих помещений на основе светодиодных светильников с резонансной системой питания источников света обеспечивает требуемый уровень освещенности с возможностью плавного включения-выключения «Рассвет - Закат»;

- математическая модель позволяет обосновать тепловой режим работы светодиодов в светильниках с температурой кристалла не более 57°С, обеспечивающая срок службы светодиодов 70000 часов;

- методика расчета технологических и конструктивных параметров системы освещения позволяет обосновать требуемый комплект оборудования для освещения различных птицеводческих помещений;

- разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях комплекты оборудования системы освещения птицеводческих помещений позволяют повысить яйценоскость на 4,2 %, снизить расходы на электроэнергию в 3 раза и капитальные затраты в 1,8 раз.

Методика исследований. В работе использованы методы математического анализа, основы электротехники, теплопередачи, компьютерного моделирования в системах Са1киЬих и А^УЗ/СТХ, теории планирования эксперимента, методы прикладной экономики, а также современная измерительная аппаратура.

Практическая ценность:

- разработана методика теплового расчета для оценки срока службы светодиодов в светильниках;

- разработаны технические средства для системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов, при которых сокращаются капитальные затраты в 1,8 раза, уменьшаются затраты на электроэнергию в 3 раза, увеличивается срок службы светильников до 70000 часов и повышается яйценоскость на 4%;

-технико-экономическое обоснование для расчета эффекта от замены действующей системы освещения птицеводческих помещений на основе люминесцентных ламп на светодиодную систему освещения с резонансной системой электропитания.

Внедрение результатов исследований.

Результаты проведенных исследований резонансной системы освещения проведены в птицеводческих хозяйствах ГУП ППЗ «Птичное» Россель-хозакадемии, ФГУП ППЗ «Кучинский» Россельхозакадемии и экспериментальном птичнике ГНУ ВНИИВСГЭ Россельхозакадемии.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международных конференциях: Международной научно-

5

практической конференции молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И ИННОВАЦИИ - 2011» Беларусь, Горки 25-27 мая 2011 г., 8-й международной специализированной выставки «Пожарная безопасность 21В» Москва, 2009г., 10-й юбилейной специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» Москва, 2010г., конференции Научно-образовательного центра по энергосбережению и возобновляемым источникам энергии (ЦЭВИ). РГАЗУ 2010г., II Международной научно-практической конференции «Молодежная наука - как взгляд в будущее» для студентов СПО, ВПО, аспирантов и молодых ученых, Оренбург, 22 апреля 2011г., 14-й Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли», Подольск, 20-21 апреля 2011г., 7-й и 8-й международных научно-технических конференциях, ВИЭСХ, Москва, 2010 и 2012г., научно-практических конференциях для молодых ученых ВИЭСХ, Москва, 2011, 2012 и 2013г..

Разработка данной системы освещения получила диплом президиума Россельхозакадемии за лучшую законченную научную разработку 2011 года.

Публикации результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, из них 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 110 наименований, семи приложений. Общий объем диссертации составляет 147 страниц, в том числе на 120 странице изложен основной текст, который содержит 63 рисунка и 15 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, цели и задачи исследования. Изложено краткое содержание глав диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Системы освещения помещений для содержания птицы» рассматриваются основные сведения об искусственных источниках света и режимах освещения в различных птицеводческих помещениях, а также системы управления освещением и питания источников света.

Согласно существующим нормативным документам оптимальными условиями для содержания птицы является освещенность 10...50 лк в зависимости от породы птицы в течение 14 — 24 часового дневного периода. Практически доказано, что хорошее освещение, включая оптимальное управление световым режимом, может повысить количество яиц и привесы.

Режимы освещения в помещениях могут быть как с одним световым периодом, так и прерывистые. Но при этом большое значение имеет функция плавного включения и выключения света - «Рассвет - Закат», т.к. при резкой смене уровня освещенности птица может пугаться, а при большом количестве голов в отсеке увеличивается травматизм и гибель птицы.

Для систем освещения птичников наиболее распространены светильники на основе ламп накаливания, на втором месте - энергосберегающие системы, - на основе люминесцентных ламп. Но они имеют сложные системы управления уровнем освещенности.

С появлением светодиодов появилась возможность создавать энергосберегающие системы освещения с возможностью изменять освещенность в широких пределах без изменения спектра излучения, в отличие от систем на лампах накаливания. Стоимость светодиодных систем освещения постоянно снижается, однако из-за того, что светодиоды - низковольтные источники света, появляется проблема, связанная с системами их питания.

Разработкой и исследованием энергосберегающих систем освещения птицеводческих помещений занимались Российские ученые Лямцов А.К., Кавтарашвили А.Ш., Новоторов Е.Н, Фисинин В.И., Гладин Д., Колокольни-кова Т., Малышев В.В., Волконская Т. Н., Новоселов И.М., Лысенко В.П., Косицын O.A. и др. Исследования ученых показали, что наилучшими источниками искусственного освещения являются светильники на основе белых светодиодов.

Так же научно и практически доказано, что светодиоды могут работать от резонансной системы электропитания, разработанной в ГНУ ВИЭСХ. Разработкой резонансных систем освещения занимались Российские ученые Стребков Д.С., Некрасов А.И., Рощин O.A. и Юферев Л.Ю.

Резонансная система питания освещения отличается от стандартных систем электропитания тем, что в начале линии устанавливается преобразователь напряжения, настроенный на резонансную частоту линии электропередачи. В каждом светильнике устанавливается обратный преобразователь с необходимым для работы выходным напряжением.

Во второй главе «Обоснование и разработка конструкции энергосберегающих светильников на основе светодиодов» изложены теоретические исследования процесса распределения тепла от кристалла светодиода до охладителя. Приведена математическая модель процесса охлаждения светодиода. Произведен расчет предельной температуры кристалла и выбор оптимальной конструкции светодиодного светильника. Проведено моделирование процесса охлаждения светодиодов в программном комплексе ANSYS/CFX. Обоснована конструкция и параметры светодиодных светильников.

Основным фактором, влияющим на срок службы светодиода, является температура кристалла светодиода при его работе. Известно, что при температуре кристалла +70°С срок службы светодиода может составлять 50000 часов (рис.1), при падении светового потока на 30 %.

Для обеспечения длительного срока службы светодиодов в светильниках, необходимо рассчитать систему охлаждения таким образом, чтобы максимальная температура кристаллов светодиодов не превышала +70°С.

¿у Температура кристалла (р-п перехода) Рис.1. Зависимость срока службы светодиода от температуры В процессе работы светодиодного светильника происходит нагрев конструкции за счёт тепла, выделяемого р-п переходом. В представленной конструкции тепло передаётся посредством теплопроводности от светодиода текстолитовой подложке, стеклу и пластиковому коробу; стекло, короб и текстолит охлаждаются за счёт возникающей естественной конвекции - при этом стекло и короб охлаждаются потоками окружающего воздуха. Задача решалась в стационарной постановке - т.е. рассматривался установившийся тепловой режим при естественной конвекции воздуха. При решении задачи не учитывался лучистый теплообмен, поскольку его вклад в общую картину распределения составляет около 4 %.

1Г Стекло а 5с

Светодиод П

Текстолит ^0.% (5т

Пластик

Воздух

и

• и

'О "

□

Рис. 2. Схематичное изображение одномерной расчётной области

В расчёте рассматривается светодиод с прилегающей областью (см. рис. 2), через границы которой, в силу периодического расположения свето-диодов, не передаётся тепло, т.е. не учитывался перенос тепла в горизонтальном (т.е. в плоскости стекла и текстолита) направлении. При решении задачи в данной постановке - в качестве площади, через которую происходит теплообмен, была взята площадь повторяющегося шаблона в ряду (светодиод и прилегающая поверхность) размерами 39,2x20,2 мм.

В силу большой теплопроводности подложки светодиода и р-п перехода будем считать в расчётах температуру кристалла и светодиода одинаковой: 12 = /з = 'сд-

Выделяемое светодиодом тепло <2\ разделяется, при описанных предположениях, на - отводимое через текстолит <72 и - через стекло

Яч = Я2 ■ + <7з" (1)

где $ - площадь соответствующей поверхности, через которую происходит теплообмен,

Искомая температура светодиода 1Сд может быть найдена по формуле теплопроводности:

+<,/Д2+<,//?, т

' Г«.-1«Г " ( '

где /в - температура окружающего воздуха; /„ - температура части короба, соприкасающейся со стенкой; /?2, Из - коэффициенты.

Рассчитаем температуру светодиода для двух вариантов исполнения корпуса:

1. Пластиковый корпус:

Коэффициент теплоотдачи от поверхности окружающему воздуху:

ав= —---= 9,42 Вт/м К, (3)

где X — коэффициент теплопроводности = 0,026 Вт/м К; вг - число Грасгофа = 6,2-104.

Термическое сопротивление теплопроводности:

Я2 = — ■ + —---— = 137,7 К/Вт, (4)

^С, аП

где Хо - коэффициент теплопроводности стекла, 5о- толщина материала.

Д5=±А+±А+±А = 315К/Вт, (5)

Х-р Хр Хр

где Лт - коэффициент теплопроводности текстолита

Температура светодиода —

_ (?у +УД2 +<к/,/?з _ 13012,65 + 315-гв + 137,7-?к

'сд~ 1«. И«," ' 452,7 °

2. Алюминиевый корпус:

коэффициент теплоотдачи от поверхности окружающему воздуху:

ав = Х,°г" = 5,13 Вт/м2К, (7)

где X - коэффициент теплопроводности = 0,067 Вт/м-К; йг - число Грасгофа = 5,2-104.

Термическое сопротивление теплопроводности:

Я, + — - —= 249,5 К/Вт, (8)

^о ав

где Ха - коэффициент теплопроводности стекла, 8о- толщина материала, Я, = — А + ± А + ± А = 126,7 К/Вт, (9)

где — коэффициент теплопроводности текстолита, Температура светодиода -

( _ + 1иШг + 1К/Я, _ 9483,5 +126,7• 1В + 249,5 • <к „с -1(). сд 1 Я, « 1 К, 372,6

При помощи формул (1) — (10) была рассчитана максимальная температура светодиода для различной температуры внешнего воздуха от + 20°С, до + 45°С для двух вариантов корпуса - из пластика и алюминия (рис. 9).

Для проверки результатов расчета с помощью программного комплекса А^УБ/СИХ была разработана математическая модель, которая представляет собой систему уравнений Навье-Стокса (для среды воздуха) - уравнений сохранения массы, импульса и энергии:

^+</*»(/*)=а

(11)

в(руЛ д , ч Эсг,1

8t dxk dxk (12)

— + vVT---div(XVT) = -^,

dt pcp pcp (13)

где P - плотность газовой смеси, ^ = (M>V>1V) - скорость течения, T- температура, Ср - теплоемкость при постоянном давлении, ^ - коэффициент теплопроводности, - объёмное тепловыделение (отлично от нуля только в объёме расчётной области, соответствующей р-n переходу),

dv, „

+

ох, (14)

dv, | dvk 2 dv, 5 dxk dXj 3 дх1 л

°л=-Р3>к+П тензор напряжений: ^

где Р - давление, & - ускорение земного тяготения, '' - динамическая вяз-

кость, ? - вторая вязкость. В качестве замыкающего систему уравнения использовано уравнение состояния идеального газа:

RT

» , (15)

где V - молярная масса воздуха (равная 28.98 кг/кмоль).

Распространение тепла в твёрдой (неподвижной) среде описывается уравнением теплопроводности:

dt V ' (16)

При решении задачи были выбраны следующие граничные условия: Температура твёрдой поверхности, с которой соприкасается короб лампы задавалась постоянной, равной температуре окружающего воздуха, т.е.

rL=20V (17)

На границе расчётной области, соответствующей окружающему воздуху было задано условие свободного протекания:

дп (18)

P = Pam»i (19)

дп (20)

где п - единичная нормаль к границе расчётной области, Рати . атмосферное давление.

Дифференциальные уравнения (11)-(20) решаются методом конечных объёмов (Finite Volume Method) на трёхмерной сетке, т.е. исходной геометрии, разбитой на т.н. конечные объёмы — геометрические примитивы (тетраэдры, шестигранники и призмы). При решении поставленной задачи расчётная область была разбита на 528000 конечных объёмов-гексаэдров со средним размером 0.25 см. В качестве начальной температуры была задана температура окружающего воздуха, сам воздух имел нулевую скорость.

Представленные результаты (Рис.4 - 9) получены в результате решения уравнений (11)-(20) с помощью программного комплекса ANSYS/CFX. Данный комплекс позволяет решать задачи сопряжённого тепло- и массообмена в полной трёхмерной постановке. Для оценки точности расчетов, был снят тепловой снимок с помощью и тепловизора (рис. 3).

Рис. 3. Распределение температуры светильника при температуре окружающего воздуха +19°С (снимок сделан тепловизором)

I

24 06

Рис.4. Распределение температуры по поверхности корпуса, текстолитовой пластине и светодиодам. Материал корпуса - пластик, температура окружающего воздуха - 20°С 32 90

26 17

19 44 ЯШШ^^Ш

0 050 %

Рис.5. Распределение температуры по поверхности корпуса, текстолитовой пластине и светодиодам. Материал корпуса - алюминий, температура окружающего воздуха - 20°С

29.54

Рис. 6. Распределение температуры по поверхности корпуса, текстолитовой пластине и светодиодам. Материал корпуса - пластик, температура окружающего воздуха - 45°С

Рис.7. Распределение температуры по поверхности корпуса, текстолитовой пластине и светодиодам. Материал корпуса - алюминий, температура окружающего воздуха - 45°С

Рис.8. Распределение температуры по поверхности корпуса и стекла. Материал корпуса - пластик, температура окружающего воздуха - 45°С

Температура окружающего воздуха, °С

—•— температура кристалла {пластиковый корпус) Моделирование в АМ5У5

—*— температура кристалла (алюминиевый корпус) Моделирование в АЫ">У5

— ф— температура кристалла (пластиковый корпус) Расчет по формулам (1) - (10)

— X — температура кристалла (алюминиевый корпус) Расчет по формулам (1) - (10)

Рис. 9. Зависимость температуры светодиодов от температуры окружающего воздуха для двух вариантов корпусов На рис. 9 приведены графики зависимости максимальной температуры светодиодов от температуры окружающего воздуха для двух рассмотренных случаев - пластикового и алюминиевого корпусов, построенные по результатам проведённой серии расчётов. Из приведённых зависимостей видно, что температура р- п переходов в светильнике достигает значения в 50°С, при температуре окружающего воздуха 33°С, в случае, если корпус изготовлен из пластика и 37°С - если был использован алюминий, а при температуре окружающего 45°С воздуха разница между корпусами уменьшается до 1,5°С.

Из тепловых расчетов следует, что допустимо применять пластик при изготовлении корпуса светильника.

Для выбора наиболее эффективного источника света были проведены экспериментальные сравнения наилучших светодиодов. Для этого на их ос-

нове были собраны экспериментальные светильники с одинаковой мощностью по 8,4 Вт и измерен уровень освещенности на расстоянии 207 см. _Табл. 1. Результаты испытаний экспериментальных светильников

Фирма Модель Мощность светодиода Вт Световой поток. эффективность лм/Вт Напряжение питания светодиода н ' Цвет, темпер Угол свечення CR1 Освещен ностъ 207 см

Стсс мхз 12 100 S3 3.4 350 7000 120 80 49 лк

Сгсс мхз 1.2 100 83 3.4 350 4000 120 75 48 лк

Сгсс CLP6B-WKW 0.55 35-44 63-80 3.6 150 7000 120 72 45 лк

Стсс CLP6B-MKW 0.55 31-35 56-63 3.6 150 4000 120 75 40 лк

Сгее CLP6B-MKW 0.55 30 55 3.6 150 2700 120 80

Сгсс CLN6A-WKW 1.1 80-86 73-78 3.8 300 7000 115 72 35 лк

Сгее CLN6A-MKW !.1 65-72 59-65 3.7 300 3000 115 80

Samsung SPMWHT5206N2BAC 0.2(0.3) 20-22 100-110 60(90 5000 120 61 лк

Samsung SPMWHT5206N2BAD 0.2(0.3) 20-23 100-115 3.1 60(90 4200 120 63 лк

Samsung SPMWHT5206N2BAE 0.2(0.3) 19 95 3.1 60(90 3400 120 60 лк

Для изготовления окончательного варианта светильников были выбраны светодиоды SAMSUNG SPMWHT5206N2B. С учетом коэффициента пропускания стекла, и запыленности светоотдача светильника с такими светодиода-

ми составляет не менее 80 лм/Вт.

Для освещения рабочей площади 70><5 метров птичника размером 70 х 7 метров, выбираем 44 светильника установленных в 2 ряда

Оценочный расчет мощности светильников для освещения птичника:

^ 50^50 йг 3 80-44

(21)

где Е - освещенность; - светоотдача светильников; 5 — площадь помещения, 51 =70х5=350м~; п - количество светильников; К3 - коэффициент запаса,.

При этом суммарная мощность светильников рабочей системы освещения составит:

/'сумм = пР = 44 • 6,5 = 286 Вт. (22)

Для проверки расчётного уровня освещенности было проведено моделирование в программном комплексе Са1киЬих (рис. 10).

Рис.10. Результаты моделирования новой системы освещения: светильники 6,5 Вт 520 лм - 4 шт. на клетку, 44 шт. на птичник; средняя освещенность - 39,9 лк; суммарная мощность - 286 Вт Основная часть светильника — текстолитовая пластина размерами 450x40 мм и толщиной 1 мм, на которую припаян 21 светодиод с чередованием теплого и холодного спектра, это обеспечивает температуру кристаллов светодиодов +57°С при температуре окружающего воздуха 45°С.

При такой температуре ожидаемый срок службы светодиодов составит более 70000 часов при спаде светового потока не более 30 %. Передняя часть светильников закрыта стеклом и загерметизирована компаундом.

Табл.2.Техническая характеристика светильника

Номинальная мощность — 6,5 Вт Цветовая температура - 4000 К Минимальный световой поток - 520 лм

Габаритный размер - 500*40*25 мм Количество светодиодов - 21 шт. Масса - 310 гр

В третьей главе «Обоснование и разработка основных элементов резонансной системы освещения птицеводческих помещениях», на основании теоретических расчетов, проведено обоснование состава энерго-

15

ресурсрсберегающей системы освещения птичников. Произведена разработка и обоснование конструктивных элементов резонансного передающего трансформатора, обоснованы параметры резонансного преобразователя напряжения для питания светодиодных светильников и блока управления системой освещения.

Для электрического освещения птицеводческих помещений нами разработано электрооборудование на основе светодиодных светильников. В состав этого оборудования входят светодиодные светильники мощностью 1, 4.5 и 6.5 Вт в зависимости от типа помещения и высоты потолков, передающие резонансные преобразователи напряжения мощностью до 1,5 кВт (рис.14) и блок управления (рис.15) для включения - выключения светильников по заданной программе и плавным управлением генератором частоты.

Преобразователь напряжения с резонансным трансформатором, блок управления и автоматические выключатели устанавливаются в щите. Для электрической безопасности, линии электропередачи между преобразователем напряжения и светильниками изготавливаются на основе экранированного кабеля РК.

Одним из основных элементов резонансной передачи электроэнергии является резонансный повышающий трансформатор. Резонансный трансформатор представляет собой ЬС - контур (поз.З рис.13), в котором катушка индуктивности имеет две обмотки, первичная предназначена для получения высокого напряжения повышенной частоты из низкого напряжения, а вторичная для гальванической развязки преобразователя напряжения и светильников.

О 6,0 8.0 12.0 20.0 кГц 0 рассвет рабочий цикл аакат 1 0 50 100 200 В

Рис.11. Зависимость тока светильника от изменения резонансной частоты, регулировка освещенности, зависимость тока светильника от напряжения линии электропередачи

За счет явления резонанса напряжений и высокой добротности ЬС контура в первичной обмотке входное напряжение повышается в несколько раз. При этом, у данного трансформатора совместно с батареей конденсаторов имеется собственная резонансная частота, немного превышающая резонансную частоту всей системы, включающей приемо-передающее оборудование

и линию электропередачи. КПД такой схемы питания светильников составляет 90...95 %. Уровень освещенности регулируется изменением частоты, при отстраивании её от резонансной уменьшается передаваемая мощность (рис.11).

Разрабатываемый в настоящей работе резонансный трансформатор основан на идеях Н.Тесла, получивших свое дальнейшее развитие на основе современных материалов, а так же достижений науки и техники. Для уменьшения массо-габаритных размеров конструкция резонансного трансформатора имеет ферритовый сердечник.

Трансформатор состоит из пластикового каркаса, на котором намотаны две обмотки (рис. 12). Входная обмотка выполнена медным проводом, имеющим сечение 10 мм", выходная обмотка - медным проводом, имеющим сечение 1 мм". Между обмотками проложена диэлектрическая изоляция.

Рис.12. Конструкция трансформатора: 1 - выходная обмотка; 2 - первичная обмотка; 3 - ферриты ПК-40*18; 4 - воздушный зазор 3 мм _Табл. 3. Технические характеристики трансформатора

Входное напряжение - 125 В Максимальная мощность - 1500 Вт

Напряжение в резонансе - 950 В Выходное напряжение - до 200 В

Собственная резонансная частота - 9,5 кГц Габаритные размеры - 160х 140x60мм Емкость батареи конденсаторов - 0,2 мкФ Масса-1,5 кг

Резонансная светодиодная регулируемая система освещения (рис.13) птичника работает следующим образом:

со светодиодными светильниками От источника питания 11 электрическая энергия подается на преобразователь частоты 2, напряжение с повышенной частотой от него подается на вход резонансного трансформатора 3, с выходной обмотки которого снима-

17

ется напряжение и подается в линию электропередач 4. Напряжение линии электропередачи подается через ограничивающую ток емкость на цепи све-тодиодов, в каждой цепи может быть установлены параллельно или последовательно от одного до нескольких светодиодов 8, напряжение, подаваемое на светодиоды выпрямляется мостом 7. Блок управления 1 регулирует частоту преобразователя частоты 2. С резонансного трансформатора может сниматься сигнал обратной связи 9, при помощи которого преобразователь частоты ограничивает выходное напряжение в случае обрыва линии электропередачи. Для задания необходимого тока светодиодов, светильники имеют обратные преобразователи, на основе реакторов, емкостного 12 или индуктивного 13.

Рис.14. Резонансный преобразователь напряжения мощностью 1500 Вт Для светодиодной системы освещения разработан универсальный микропроцессорный блок управления (рис.15). Универсальный микропроцессорный блок управления имеет в составе таймер на весь цикл выращивания и блок ступенчатого управления передающим преобразователем напряжения.

Рис. 15. Универсальный блок управления резонансной системой освещения

сельскохозяйственных помещений и алгоритм работы В функции блока управления входит: включение-выключение системы

освещения в заданное время дня в течение года; плавное включение и выключение в течение 45 - 60 сек, при этом уровень освещенности плавно меняется в 16 раз; выбор 5-ти уровней максимальной освещенности от 20 % до 100 %. При этом программирование осуществляется как с клавиатуры блока управления, так и с подключаемого к нему компьютера. Все режимы работы и текущее время отображается на графическом дисплее. Основные программные блоки Т1 - таймер включения, Т2 - выдержка, С1 - счетчик дней, ТЗ - блок задержки «Рассвет-закат», Е1 - корректор выдержки, Е2 - корректор времени включения, - корректор максимальной освещенности, ПЧ -преобразователь частоты. Так же разработаны блоки управления освещением от внешнего таймера.

В четвёртой главе «Производственные испытания и внедрение резонансной системы освещения» приведены результаты испытаний и дана оценка экономической эффективности применения резонансной светодиодной системы освещения.

Лабораторные испытания были проведены в ГНУ ВИЭСХ для измерения основных параметров.

__Табл. 4 Результаты лабораторных испытаний

Напряжение в линии освещения - 50...200 В

Резонансная частота - 8 кГц

Диапазон изменения частоты - 6...20 кГц

Диапазон изменения мощности светильников -4... 100%;

Световой поток светильников 6,5 Вт. - 520лм

Производственные испытания резонансной системы освещения проведены в птицеводческих хозяйствах ГУП ППЗ «Птичное» Россельхозакаде-мии, ФГУП ППЗ «Кучинский» Россельхозакадемии (рис.17) и экспериментальном птичнике ГНУ ВНИИВСГЭ Россельхозакадемии.

В ходе производственных испытаний системы подтверждены:

- необходимая комплектация резонансной системы освещения;

- зоогигиенические показатели;

- проверена надежность осветительного оборудования;

- снижение потребляемой электроэнергии;

- влияние на продуктивность птицы.

Полученные результаты производственной апробации разработанной светодиодной системы освещения с целью замены существующих систем освещения свидетельствуют о высокой эффективности и экономичности.

Для освещения клеток размером 1x2м достаточно двух светодиодных светильников мощностью 1 Вт установленных снаружи клетки с разных сторон по диагонали.

Для освещения отсеков размером 6><5 м с напольным содержанием необходимо установить 4 светодиодных светильника мощностью 6,5 Вт на

высоте 2,4 м в каждом отсеке, при этом обеспечивается равномерное освещение. Экономия электроэнергии новой системы освещения птичника размером 70x7 м за 113 дней составила 1025 кВт-ч, при этом средний уровень рабочей системы освещения увеличился с 18,8 до 30,0 лк. __________

Рис.17. Резонансная система освещения цеха для содержания птицы.

Птицефабрика «Кучинская» За период выращивания птицы сохранность и привесы птицы сохранились на прежнем уровне. Яйценоскость птицы повысилась на 4,2 %. Экономический эффект.

Для замены действующей системы освещения птичника размером 70x7 м на люминесцентных лампах предлагается два варианта: базовый вариант, на основе светодиодных ламп, аналогичных светильникам ЛПО 2x36Вт с системой «Рассвет-закат» и разработанная нами система. Сравнительный расчет экономической эффективности обеих систем (табл.4.) показал, что, срок окупаемости нашей системы в 2 раза меньше.

Сумма инвестиций для замены действующей системы освещения на нашу светодиодную систему освещения с резонансным источником питания и системой «Рассвет-Закат» составляет 49584 рублей и включает в себя:

• стоимость осветительного оборудования -15840 руб.;

• передающий преобразователь -10000 руб.;

• затраты на проектные работы -5904 руб.;

• затраты на монтаж и ввод в эксплуатацию осветительного оборудования и системы управления освещением с функцией «Рассвет - Закат» 15640 руб.;

• затраты на строительно-монтажные работы -12150 руб.

Показатель Базовый вариант, на основе светодиодных ламп, аналогичных светильникам ЛПО 2x36Вт Светодиодная система освещения с резонансным источником питания Разница

Стоимость светильника, руб 2242 360 -

Кол-во светильников 11 44

Стоимость всех светильников, руб 24662 15840 8822

Потребляемая мощность системы освещения, кВт 0,396 0,308 0,088

Сумма инвестиций, руб 86 219,58 49583.96 36635.62

Срок окупаемости, лет 4,2 2,3 1,9

Годовой экономический эффект денежных средств, руб 17910 19966 2056

По результатам технико-экономического расчета срок окупаемости вложенных инвестиций замены действующей энергосберегающей системы освещения на основе люминесцентных ламп на нашу систему освещения составляет 2,3 года (рис.18). Малый срок окупаемости обуславливает высокую экономическую эффективность капиталовложений. Годовой экономический эффект составляет 20000 рублей. Расход электроэнергии снижается с 5319 кВт-ч до 1798 кВт-ч за 1 год.

200 000,00р.

150 000,00р.

100 000,00р.

£

а.

50 000,00р.

" Р-

-50 000,00р.

год

Рис. 18. Эффект от внедрения новой системы освещения

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ современных систем освещения птицеводческих помещений позволил обосновать актуальность применения энергоресурсосберегающей системы искусственного освещения на основе светодиодных источников света с резонансной системой питания с функцией плавного включения-выключения «Рассвет - Закат».

2. Разработана математическая модель, позволяющая обосновать кон-

тролируемые и регулируемые параметры тепловых режимов работы светоди-одов в светильниках, на основе которой рассчитана конструкция светодиодных светильников, в которой максимальная температура кристаллов составляет +57°С, при этом, срок службы светодиодов составит 70000 часов.

3. Разработана система освещения для птицеводческих помещений различного размера с клеточным и напольным содержанием птицы, в состав которой входят: светильники мощностью 1, 4.5 и 6,5 Вт; передающие резонансные преобразователи мощностью 300, 500 и 1500 Вт; алгоритм работы и блоки управления с системой «Рассвет - Закат» с временем плавного включения до 45 сек, выключения до 60 сек, со встроенным микропроцессором или внешним управлением от штатного таймера.

4. В результате испытаний в птицеводческих хозяйствах установлено, что применение данной системы освещения сокращает расход электроэнергии на освещение в 3 раза по сравнению с системой на основе люминесцентных ламп. Производственные испытания показали, что для освещения птичников с напольным содержанием потребляемая мощность данной системы освещения составляет 0,5...0,8 Вт/м2, для птичника размером 7x70 м, с учетом КПД передающего преобразователя потребляемая мощность составляет 308 Вт. Применение энерго-ресурсосберегающей системы освещения повысило яйценоскость птицы на 4,2 %.

5. Экономический расчет замены действующей энергосберегающей системы освещения на люминесцентных лампах показал, что срок окупаемости новой системы освещения составляет менее 2,3 года. Годовой экономический эффект, в птичнике размером 70x7 м, составляет 20000 рублей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях В изданиях из перечня ВАК:

1. Михалев A.A. Электрооборудование для резонансной системы освещения. [Текст] / Стребков Д.С., Некрасов А.И., Юферев Л.Ю., Рощин O.A., Михалев A.A.// Энергобезопасность и энергосбережение. 2009. № 4. с. 22-25.

2. Михалев A.A. Резонансные системы светодиодного освещения. [Текст] / Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин O.A., Михалев A.A. // Достижения науки и техники АПК. 2009. № 10. с. 20-21.

3. Михалев A.A. Применение энерго-ресурсосберегающей системы освещения и УФ облучения помещений для содержания птицы. [Текст] Юферев Л.Ю., Баранов Д.А., Михалев A.A. // Механизация и электрификация сельского хозяйства №2 2012 с.19-21

4. Михалев A.A. Регулируемая система освещения (варианты) [Текст] / Юферев Л.Ю., Прокопенко A.A., Алферова Л.К., Рощин O.A., Михалев A.A., Соколов A.B., Юферева A.A., Харченко Н.В. //патент на полезную модель № 120307 от 28.12.2011

22

В изданиях:

5. Михалев A.A. Модернизированная энергоэффективная система освещения животноводческих помещений. [Текст] / Юферев Л.Ю., Михалев A.A., Соколов A.B., Буднев В.Н. // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2011. Т. 22. № 2. с. 234-238.

6. Михалев A.A. Резонансные системы светодиодного освещения. [Текст] / Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин O.A., Михалев A.A. // Вестник ВИЭСХ. 2012. Т. 1. № 6. с. 26-30.

7. Михалев A.A. Применение энерго-ресурсосберегающей системы освещения и уф-облучения помещений для содержания птицы. [Текст] / Юферев Л.Ю., Баранов Д.А., Михалев A.A. // Труды международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». 2012. Т. 3. с. 180-184.

8. Михалев A.A. Энерго-ресурсосберегающая система освещения птицеводческих помещений. [Текст] / Михалев A.A., Юферев Л.Ю. // Инновации в сельском хозяйстве. 2012. № 1 (1). с. 4-9.

9. Михалев A.A. Аналитический расчёт теплового режима светодиодного светильника. [Текст] / Михалев A.A., Юферев Л.Ю. // Вестник ВИЭСХ. 2013. № 2(11). С. 45-47.

10. Михалев A.A. Экономическая эффективность резонансной системы освещения животноводческих и птицеводческих помещений. [Текст] / Юферев Л.Ю., Михалев A.A., Юферева A.A. // Материалы II международной научно-практической конференции «Молодежная наука - как взгляд в будущее» Оренбург 22 апреля 2011 г. с. 142-145.

11. Михалев A.A. Применение резонансной энерго-ресурсосберегающей системы освещения в птицеводческих помещениях. [Текст] / Юферев Л.Ю., Михалев A.A., Соколов A.B., Прошкин Ю.А. // Международная научно-практическая конференция молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И ИННОВАЦИИ - 2011» Беларусь, Горки 25-27 мая 2011 г. Доклад №28 с.75-78

12. Михалев A.A. Однопроводниковые пожаробезопасные системы электрического освещения. [Текст] / Стребков Д.С. Некрасов А.И. Рощин O.A. Михалев A.A.// Сборник трудов 8-й международной специализированной выставки «Пожарная безопасность 21 в». 2009г.

13. Михалев A.A. Резонансные системы светодиодного освещения. [Текст] / Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин O.A., Михалев A.A. // 10-я юбилейная специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» Сборник научных трудов и инженерных разработок. Москва. 2009г.

14. Михалев A.A. Применение резонансной системы электроснабжения для систем освещения. [Текст] / Некрасов А.И., Рощин O.A., Соколов A.B., Михалев A.A. // Конференция Научно-образовательного центра по энергосбережению и возобновляемым источникам энергии (ЦЭВИ). РГАЗУ 2010г.

15. Михалев A.A. Микропроцессорный блок управления резонансной системой освещения, [Текст] / Юферев Л.Ю., Михалев А.А, Инновации в сельском хозяйстве. 2013. № 1 (3). с. 8-11.

Напечатано в Типографии на Брестской ООО "Диалог", 123056, г. Москва, ул. 2-я Брестская, д. 39, стр. 3, ИНН: 7705928320 КПП: 771001001 Подписано в печать «05» мая 2014 г. Формата А5 (148x210мм)

Тираж 120 экз. Заказ № 1530 от 05.05.14

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИЯ)

На правах рукописи

04201459005

Михалев Александр Александрович

Разработка системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодных светильников и резонансного источника

питания

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - к.т.н., доцент Юферев Л.Ю.

Москва, 2014

Содержание

Введение. 4

Состояние вопроса и задачи исследований 4

Глава 1. Системы освещения помещений для содержания птицы 11

1.1. Общие сведения по системам освещения птичников. 11

1.2. Анализ существующих источников искусственного освещения птицеводческих помещений. 25

1.3 Анализ систем управления освещением. 32

1.4 Резонансная система освещения 37

Выводы по главе 1. 42

Глава 2. Обоснование и разработка конструкции энергосберегающих светильников на основе светодиодов 43

2.1. Обоснование теплового расчета светильников на основе светодиодов 43

2.2. Математическая модель теплового расчета светильника на основе светодиодов. 44

2.3. Тепловая модель светодиодного светильника в программном комплексе А^УБ/СИХ 57

2.4. Разработка конструкции энергосберегающих светильников на основе светодиодов 70

Выводы по главе 2. 74

Глава 3. Обоснование и разработка основных элементов резонансной системы освещения птицеводческих помещениях. 75

3.1. Функционально-технологическая система светодиодного освещения птичников с резонансной системой электропитания 75

3.2. Обоснование параметров резонансного передающего трансформатора 77

3.3. Обоснование параметров резонансного преобразователя напряжения для питания светодиодных светильников. 81

3.4. Блок управления системой освещения. 89

Выводы по главе 3. 92

Глава 4. Производственные испытания и внедрение резонансной системы освещения 93

4.1. Результаты лабораторных испытаний 93

4.2. Методика исследования и результаты испытаний работы резонансной системы освещения в птицеводческих помещениях. 94

4.3. Расчет экономической эффективности внедрения резонансной системы освещения. 109

Выводы по главе 4. 119

Выводы. 120

Литература. 121

Приложения. 131

Приложение 1. Дипломы 131

Приложение 2. Патент 133

Приложение 3. Акты испытаний 136

Введение.

Для правильного выращивания птицы, при всех типах содержания важную роль играет освещение, поскольку от него зависит комфортность и продуктивность стада. Оптимальность развития зависит не только от уровня освещенности и длительности светового дня, но и от спектра искусственного источника света.

При правильно подобранных характеристиках источника света уменьшается срок полового созревания, затраты на корм и потребление электроэнергии и увеличивается яйценоскость, размер и масса яиц и сохраняемость поголовья.

Роль освещения при выращивании кур часто недооценивают, несмотря на то, что еще несколько десятилетий назад была доказана эффективность введения научно обоснованных режимов освещения.

Освещение птицы имеет особенность, связанную с необходимостью плавного включения-выключения искусственных источников света, из-за того что птица может пугаться резких перепадов освещенности и в случае содержания большого поголовья на небольшой площади увеличивается травматизм птиц.

Традиционные системы освещения птицеводческих помещений выполняются в виде закрытых светильников с лампами накаливания 60-100 ватт [1-3].

Основные недостатки данных систем - низкий срок службы ламп накаливания - примерно 1000 часов работы, повышенное потребление электроэнергии, зависимость светоотдачи от уровня напряжения в питающей сети, а также ее качества.

Достоинства данных систем:

- Спектр ламп накаливания значительно ближе к естественному, чем свет излучаемый люминесцентными лампами.

- Энергия, выделяемая в виде тепла, дополняет обогрев птичников в холодные периоды года.

- Возможность применения функции "закат-рассвет", обеспечивающей плавное включение-выключение.

- Лампы накаливания не содержат ртутных паров и не требуют специальных условий для утилизации, широко распространены и имеют минимальную стоимость.

Рис.1. Система освещения при клеточном содержании

Развитием данной системы освещения является простая замена ламп накаливания на энергосберегающие люминесцентные лампы, при этом, основным плюсом данной замены является существенная экономия электроэнергии - до 30%-40%. Недостатками данной замены являются невозможность регулирования освещенности, зависимость светоотдачи от различных факторов (времени работы, температуры помещения, и т.д.), возникновение пусковых токов до двух крат, а также эффекты мерцания, связанные с неэффективными ПРА, используемыми в данных лампах, вопросы утилизации и экологической безопасности, поскольку все люминесцентные лампы содержат ртуть, которая может причинить вред

здоровью человека и животных при нарушении герметичности, и требует специальной утилизации [4,5].

Совершенствование люминесцентных ламп, привело к возникновению новых видов ПРА - электронных ПРА, применение которых позволяет снизить величину пусковых токов до 1,3 крат, и снизить эффект мерцания от люминесцентных ламп. Самым большим преимуществом электронных ПРА является возможность регулирования освещенности люминесцентной лампы в пределах от 60% до 100%, при этом используются специальные системы управления. Осветительные установки, как правило, располагаются напротив верхнего яруса клеток, вследствие чего разница освещенности верхнего и нижнего яруса достигает 5 раз.

Исследования, проведенные в институте птицеводства показали, что применение энергосберегающих люминесцентных ламп оказывает отрицательное влияние на птицу [6], и к тому-же, управление уровнем освещенности у таких ламп имеет большие сложности.

В странах ЕС поставлена цель - сократить общий объём потребления электроэнергии на 20 % к 2020 г. Для этого были разработаны специальные директивы, регламентирующие деятельность в данном направлении. 27 ноября 2009 года вступил в силу Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 года N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Закон направлен на стимуляцию энергосбережения и увеличение энергоэффективности.

На основании этого необходим новый путь развития систем освещения.

Например, администрация президента США Барака Обамы оказывает постоянную поддержку энергоэффективным альтернативным световым решениям, в частности, светодиодному освещению.

Первый в истории красный светодиод был создан в 1962 г. Ником Холоньяком (Nick Holonyak) в компании General Electric [7]. Монохромные красные светодиоды в основном применялись для световых индикаторов,

используемых в электронных приборах. В 1993 г. Суджи Накамура (Shuji Nakamura), создал первый синий светодиод высокой яркости [8]. До этого были разработаны зеленые и красные светодиоды. после этого, с помощью светодиодов можно было получить любой цвет освещения, включая белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. - это светодиоды, объединяющие синий или ультрафиолетовый светодиод с люминофорным покрытием.

В 2000-х гг. светодиоды начали постепенно заменять лампы накаливания и люминесцентные лампы. Уровень светового потока светодиодов достиг значения 100 лм и выше. Появились белые светодиоды с теплыми и холодными оттенками, и схожие с естественным освещением.

Изначально осуществлялась простая замена светильников накаливания на светодиодные, при этом достоинства этой системы:

• сокращение затрат на электроэнергию до 10 раз;

• срок службы 50 000 часов;

• реализация прерывистого освещения с функцией «рассвет-закат»;

• отсутствие стробоскопического эффекта.

Разработкой и исследованием энергосберегающих систем освещения птицеводческих помещений занимались Российские ученые: Лямцов А.К., Кавтарашвили А.Ш, Новоторов Е.Н, В.И. Фисинин, Гладин Д., Колокольникова Т, Малышев В.В., Волконская Т. Н., Новоселов И.М., Лысенко В.П, Косицын O.A. Исследования ученых показали, что наилучшими источниками искусственного освещения являются светильники на основе белых светодиодов.

Развитием светодиодных систем освещения явилось появление линейных и локальных источников света, для равномерной освещенности как при клеточном, так и при напольном содержании птиц. Экономичная традиционная схема управления светодиодным освещением возможна только с применением ШИМ регулятора [9-12].

Наибольшее распространение получили светодиодные светильники с

напряжением питания 24 В, постоянного тока. При конструировании данных систем появляются протяженные (во всю длину птичника - до 300 метров) линии постоянного тока напряжением 24 вольта и линии управления величиной освещенности светодиодных светильников. При этом, для уменьшения потерь напряжения, приходится применять кабели с большим сечением (до 25 мм). Эксплуатация данных систем показывает, что, несмотря на все усилия, принимаемые проектировщиками, имеется существенное отличие в светоотдаче первых и наиболее удаленных от источника питания светильников.

В связи с этим возникает необходимость поиска другой системы питания с возможностью плавного регулирования освещения [13,14]. Одним из вариантов может стать резонансная система питания светодиодных светильников, разработанная в ГНУ ВИЭСХ. Научно и практически доказано, что светодиоды могут работать от Резонансной системы электропитания, разработанной в ГНУ ВИЭСХ. Разработкой резонансных систем освещения занимались Российские ученые: Стребков Д.С., Некрасов А.И., Рощин O.A., и Юферев JI.IO.

В связи с этим возникают научные и практические задачи по разработке технических средств на базе резонансной системы освещения на основе современных светодиодов для применения в птицеводческих помещениях.

Разработка технических средств для системы освещения птицеводческих помещений потребует научное обоснование конструктивных и технологических параметров светильников, системы питания а также системы и управления.

Этому посвящена настоящая диссертационная работа, что и определяет ее актуальность.

Цель работы. Обоснование параметров и разработка системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов и резонансной системой питания источников света позволяющей снизить приведенные

затраты, в том числе капитальные затраты и расход электроэнергии а так же повысить яйценоскость птицы.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

-провести анализ существующих систем освещения помещений для выращивания птицы и обосновать актуальность и практическую значимость разработки системы освещения на основе светодиодов с резонансным источником питания;

— разработать математическую модель для расчета тепловых режимов работы светодиодов в светильниках для оценки срока службы;

— на основе математического моделирования и экспериментальных исследований обосновать конструктивно-технологические параметры системы освещения птицеводческих помещений, разработать и испытать экспериментальный образец;

— провести производственные испытания и оценить технико-экономическую эффективность внедрения предлагаемой системы освещения на основе светодиодных светильников с резонансной системой питания источников света.

Научную новизну работы представляют:

— резонансная система электропитания светодиодных светильников для освещения помещений с напольным выращиванием птицы и реализацией функции «Рассвет - Закат» (патент РФ №120307).;

-математическая модель теплового режима работы светодиодов в светильниках на основе уравнений Навье-Стокса и граничных условий;

— алгоритм работы системы управления освещением с резонансной системой питания светильников;

— методические положения применения системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов с резонансным источником питания.

Положения, выносимые на защиту:

— разработанная система освещения птицеводческих помещений на

основе светодиодных светильников с резонансной системой питания источников света обеспечивает требуемый уровень освещенности с возможностью плавного включения-выключения «Рассвет - Закат»;

— математическая модель позволяет обосновать тепловой режим работы светодиодов в светильниках с температурой кристалла не более 57°С, обеспечивающая срок службы светодиодов 70000 часов;

-методика расчета технологических и конструктивных параметров системы освещения позволяет обосновать требуемый комплект оборудования для освещения различных птицеводческих помещений;

— разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях комплекты оборудования системы освещения птицеводческих помещений позволяют повысить яйценоскость на 4,2 %, снизить расходы на электроэнергию в 3 раза и капитальные затраты в 1,8 раз.

Методика исследований. В работе использованы методы математического анализа, основы электротехники, теплопередачи, компьютерного моделирования в системах Са1киЬих и АЫ8У8/СРХ, теории планирования эксперимента, методы прикладной экономики, а также современная измерительная аппаратура.

Практическая ценность:

-разработана методика теплового расчета для оценки срока службы светодиодов в светильниках;

— разработаны технические средства для системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов, при которых сокращаются капитальные затраты в 1,8 раза, уменьшаются затраты на электроэнергию в 3 раза, увеличивается срок службы светильников до 70000 часов и повышается яйценоскость на 4%;

— технико-экономическое обоснование для расчета эффекта от замены действующей системы освещения птицеводческих помещений на основе люминесцентных ламп на светодиодную систему освещения с резонансной системой электропитания.

Глава 1. Системы освещения помещений для содержания птицы

1.1. Общие сведения по системам освещения птичников.

Солнечная энергия - основа существования всех живых существ на

Земле. Она поддерживает тепловой баланс планеты, способствует созданию органических веществ биосферы, формирует среду, обеспечивающую необходимые условия для жизни. Важнейшей функцией при этом является солнечный свет.

При недостаточном освещении птичников трудно рассчитывать на оптимальную производительность птицы всех пород, что особенно проявляется в зимний период их содержания. Согласно существующим нормативным документам оптимальными условиями для содержания птицы является освещенность 10...50 лк в зависимости от породы птицы в течение 14...24 часового дневного периода [15-17]. Практически доказано, что хорошее освещение, включая оптимальное управление светом, может повысить количество яиц и привесы.

Управление освещением в летнее время может быть полезно в облачные или темные дни.

так ■ / /" диьу ^я

ШШЖ : I ! .

у - —— *. \ У\ / д

шШ ы

1 / У/ / | л

Рис. 1.1 Птичник с напольным содержанием птицы и искусственным

освещением.

Нельзя недооценивать огромное влияние света на здоровье, плодовитость, обмен веществ и продуктивность птицы, что подтверждается исследованиями проведенными во многих странах (Германии, Канаде, США, Великобритании, Италии, Дании, Израиле ).

Доказано, что определяющей величиной воздействия света на организм птицы освещенность, которая должна составлять у поилок и кормушек не менее 10 Лк.

Автоматическое регулирование длительности светового дня возможно осуществить с помощью электронных устройств за счет включения искусственного освещения в утренние и вечерние часы, что может принести предприятию дополнительные производственно-экономические

преимущества.

Наряду с этим необходимо во всех случаях учитывать вопросы обеспечения безопасности труда обслуживающего персонала с целью предупреждения травматизма и улучшения качества продукции. В сельском хозяйстве необходимо еще многое сделать в этом направлении.

Влияние освещения на жизнедеятельность кур

На сегодняшний день механизмы воздействия освещения на кур достаточно хорошо изучены. Основные параметры освещения, влияющие на жизнедеятельность кур — это освещенность, спектр излучения осветителей, длительность светового дня и ее изменение.

Режимы освещения в помещениях могут быть как циклические, так и прерывистые. Но при этом большое значение имеет функция плавного включения и выключения света — «Рассвет-закат», так как при резкой смене уровня освещения птица может пугаться, а при большом количестве голов в отсеке увеличивается травматизм и гибели птицы [49].

А. П. Гречанов