Повышение эффективности оптических электротехнологий в апк путем снижения энергоемкости этапов технологического процесса облучения

На правах рукописи

РАКУТЬКО Сергей Анатольевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ В АПК ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ЭТАПОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБЛУЧЕНИЯ Специальность:

05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - Пушкин – 2010

Работа выполнена на кафедре энергообеспечения производств в Федераль ном государственном образовательном учреждении высшего профессионально го образования Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Карпов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Косоухов Федор Дмитриевич доктор технических наук, профессор Башилов Алексей Михайлович доктор технических наук, профессор Худоногов Анатолий Михайлович

Ведущая организация: Дальневосточный научно-исследовательский проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства

Защита диссертации состоится «_9_» _февраля_ 2010 года в ч. мин.

на заседании Диссертационного совета Д 220.060.06 в ФГОУ ВПО Санкт Петербургский государственный аграрный университет, по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г.Пушкин, СПбГАУ, Петербургское шоссе, д.2, ауд.

.

E-mail: [email protected] С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО СПбГАУ.

Автореферат разослан «_1_» _ноября 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим на правлять по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г.Пушкин, Петербургское шоссе, д.2., ученому секретарю В.Т.Смирнову.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.Т.Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема энергосбережения является одной из са мых актуальных в современном мире, её решению развитые страны уделяют большое внимание.

Особо наглядно эта проблема проявляется в области использования энергии оптического излучения (ОИ). Так, объем энергопотребления на цели освещения в России составляет, по различным оценкам, около 14 % от всей вырабатывае мой электроэнергии, что свидетельствует о масштабе проблемы и эффективно сти любых разумных мер по ее решению.

Пример из области светотехники показывает следующие резервы повыше ния эффективности использования энергии ОИ в нашей стране: в США норми руемая установленная мощность на 100 лк освещенности составляет 2,5 Вт/м2, в России - 7 Вт/м2.

Сегодня имеются практически все возможности для решения любых задач применения ОИ;

более того, наличие большого многообразия технических средств (источников света, световых приборов, ПРА, электронных систем управления освещением) формирует новые принципы и приемы техники при менения ОИ, невозможные несколько лет назад.

И, тем не менее, обеспечение энергосбережения при использовании ОИ (особенно в отраслях АПК) не сводится только к применению эффективных светотехнических изделий: люминесцентных ламп нового поколения, элек тронных ПРА, качественных световых приборов светодиодов и другим новаци ям. Это более комплексная проблема, которую можно обозначить как научную.

Можно указать две важнейших составляющих этой проблемы.

Прежде всего, отсутствует прикладная научная теория, имеющая свой спе цифический язык, адекватно описывающий энергетику сельскохозяйственного объекта, позволяющая формулировать практически значимые выводы, обосно вывать конкретные энергосберегающие решения и направленная на обслужи вание задач энергосбережения. В настоящее время в области применения ОИ в АПК используются методы светотехники, основанные на геометрическом мо делировании световых полей (Гершун, 1939 г). Однако они не подразумевают рассмотрение энергетики процессов, происходящих в системе, поэтому не мо гут служить основой энергосбережения.

Другой составляющей научной проблемы следует отметить традиционно сложившийся взгляд на облучение лишь как на один из факторов других техно логических процессов. Однако ОИ как вид энергии обладает следующими важ нейшими особенностями.

Во-первых, использование энергии ОИ как технологического фактора не связано непосредственно с механическим и электрическим воздействием на об рабатываемые объекты. Необходимое положительное действие достигается благодаря значительной проникающей способности излучения и его специфи ческому действию на клеточном и молекулярном уровнях в биологических объ ектах.

Во-вторых, распространение ОИ происходит линейно при постоянстве пере даваемой мощности по оси угла распространения, но уменьшении плотности по площади нормального сечения.

В-третьих, распределение энергии ОИ следует учитывать не только по про странственным координатам и по времени, но и по спектру, т.е. в зависимости от длины волны излучения.

Кроме того, применяемые источники излучения все еще имеют недостаточ ную эффективность, что еще на этапе проектирования облучательной установ ки задает высокую стоимость лучистой энергии.

Отмеченные особенности ОИ требуют особого рассмотрения энергетики процессов, происходящих на всех этапах преобразования излучения и служат основой для представления облучения как особого технологического процесса.

Первоочередное значение приобретает здесь эксплуатационное энергосбереже ние, направленное на оптимизацию способов проведения технологического процесса облучения (ТПО).

В перспективе развитие оптических электротехнологий (ОЭТ) в АПК явля ется наиболее наукоемким направлением. По различным оценкам, потери элек троэнергии в них превышают половину отраслевых потерь всех электроустано вок при доле потребляемой энергии 20%. В связи с этим, энергосбережение в ОЭТ АПК является важнейшей проблемой отраслевой энергетики, для решения которой необходимо соответствующее научно-методическое обеспечение, на правленное на снижение энергоемкости всех технологических процессов, свя занных с применением ОИ.

Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой про граммой «Энергоэффективная экономика на 2002 -2005 гг. и на перспективу до 2010 года», утвержденной постановлением правительства РФ №796 от 17.11.2001 года, а также раздела 13 «Энергосбережение» по плану научно исследовательской работы Дальневосточного ГАУ (г.Благовещенск) на период 2005-2010 гг.

Цель работы. Повышение эффективности ОЭТ в АПК путем снижения энергоемкости этапов технологического процесса облучения на основе разра ботки эксплуатационных энергосберегающих мероприятий.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели поставлены сле дующие задачи:

1. Разработать научные положения прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах (ЭТП) АПК, адекватно описывающей энер гетику сельскохозяйственного предприятия с учетом биологического характера объектов воздействия применяемых энерготехнологий.

2. Определить универсальный параметр, позволяющий характеризовать ЭТП вне зависимости от их видовых особенностей.

3. Обосновать критерий и разработать методику оптимизации ЭТП.

4. Рассмотреть особенности ТПО как важнейшего вида ЭТП. На основе раз работанной теории разработать частные методики энергетического анализа этапов ТПО.

5. Провести экспериментально-теоретические исследования характерных элементов ТПО (источников излучения (ИИ), облучаемых объектов, компоно вочных схем) как эмпирическую базу разработанной теории.

6. Разработать практические методы энергосбережения в ОЭТ, направлен ные на эксплуатационное энергосбережение при проведении ТПО.

Объект исследования. Оптические электротехнологии АПК.

Предмет исследования. Энергосбережение в оптических электротехноло гиях АПК.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы электротехники, теоретической светотехники, геометрической оптики, фотометрии и фотограмметрии с использованием современной измерительной аппаратуры и программно-технических средств.

Достоверность результатов работы. Научные положения, выводы и реко мендации, сформулированные в диссертационном исследовании, базируются на теоретических положениях и научных принципах, разработанных ведущими учеными по фундаментальным и прикладным аспектам электрификации с.х.

производства. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными.

Научная новизна исследований.

Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность но вых знаний:

1. Установлено, что энергетика сельскохозяйственного предприятия с уче том биологического характера объектов воздействия применяемых энерготех нологий представляет собой искусственную биоэнергетическую систему (ИБЭС).

2. Доказано, что определяющей характеристикой энергетических блоков ИБЭС вне зависимости от происходящих в них процессов является величина энергоемкости.

3. Показано, что оптимизация ИБЭС в рыночной среде сводится к миними зации энергоемкости ее элементов.

4. Предложено понятие технологического процесса облучения (ТПО) как последовательности этапов преобразования энергии. Предложена концепция виртуального энергетического блока (ВЭБ) как участка ТПО, на котором энер гия передается в виде поля ОИ. Разработаны частные методики энергетическо го анализа ТПО как одного из видов ЭТП.

5. Полученные результаты экспериментально-теоретических исследований характерных элементов ТПО являются основой проектирования установок и процессов ОЭТ.

6. Разработанные практические методы эксплуатационного энергосбереже ния в ОЭТ являются инновационными и основаны на снижении энергоемкости этапов ТПО.

Новизна технических решений имеет изобретательский уровень.

Практическая значимость работы. Разработанное научно-методическое обеспечение энергосбережения позволяет оценить и реализовать резервы энер госбережения в этой области и может быть использовано при оценке эффек тивности конкретных энергосберегающих мероприятий как ЭТП АПК в целом, так и в ОЭТ в частности.

Внедрение результатов исследований.

- результаты исследований характеристик источников излучения приняты СКБ Агрофизического института (г.Санкт-Петербург, 1992 г.) для использова ния в экспериментальном производстве при модернизации действующих и раз работке новых климатических камер для растений с целью повышения эффек тивности использования электроэнергии в светоустановках;

-технические, программные, методические средства оптимизации радиаци онного режима растений приняты к использованию при эксплуатации облуча тельных установок в микроклиматическом комплексе НИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова (г.Павловск, 1992, 2008 гг.);

- результаты исследований в виде рекомендаций по расчету спектральных и энергетических режимов светоустановок приняты к использованию институтом Гипронисельпром (г.Орел, 1992 г.) при выборе режимов эксплуатации облуча тельных установок с целью повышения эффективности использования электро энергии в условиях интенсивной светокультуры;

- разработанная система энергосбережения испытана в производственных условиях (ООО Амурагроцентр, г.Благовещенск, 2009 г.);

- разработанные методики и рекомендации по энергосбережению внедрены в хозяйствах Амурской области (2008 - 2099 гг.);

- материалы исследований используются в учебном процессе на кафедрах Применения электроэнергии в АПК Дальневосточного ГАУ и Энергообеспече ния производств Санкт-Петербургского ГАУ при выполнении курсовых и ди пломных работ, НИР студентов (1993-2009 гг.).

Акты приемки и внедрения результатов исследований приведены в прило жении к диссертации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Прикладная теория энергосбережения в ЭТП АПК;

2. Принципы и методики энерго-, фото- и биоэнергетического анализа эта пов ТПО;

3. Способ энергосбережения, заключающийся в определенном алгоритме выбора энергосберегающих мероприятий на каждом этапе многостадийного ЭТП.

4. Система энергосбережения в ЭТП, основанная на непрерывном монито ринге мгновенного значения энергоемкости.

Совокупность разработанной теории, принципов, методов и технических средств является решением крупной научной проблемы по обеспечению энер госбережения в АПК.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты дис сертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно технических (НТК) и научно-практических (НПК) конференциях профессор ско-преподавательского состава СПбГАУ (Санкт-Петербург, 1991-1992, гг.) и ДальГАУ (г.Благовещенск, 1993-2009 гг.), на НТК «Неотложные вопросы с.-х. светотехники» (г.Харьков, 1991 г.);

Всесоюзном научно-теоретическом се минаре «Нетрадиционные электротехнологии в с.-х. производстве и быту села» (Крым, 1991 г.);

Межд. НТК, посвященной 100-летию ВИР, г. Санкт Петербург (1994г);

Межд. НТК «Инновационные технологии механизации, ав томатизации и технического обслуживания в АПК» (г.Орел, 2008);

Межд. НПК «Преподаватель высшей школы в XXI веке» (г. Ростов на Дону, 2008);

Межд.

НПК «Совместная деятельность сельскохозяйственных товаропроизводителей и научных организаций в развитии АПК Центральной Азии» (Иркутск, 2008);

Межд. НПК «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: эконо мика, экология, практика применения» (г.Улан-Удэ, 2008);

Межд. НПК «Аг рарная наука – сельскому хозяйству» (г.Барнаул, 2008);

Межд. НТК «Энерго обеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г.Москва, ВИЭСХ, 2008);

Межд. НПК «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И.Вернадского» (г.Тамбов, ТГТУ, 2008);

VI Межд. НТК «Проблемы и пер спективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (г.Саранск, Мордовский ГУ, 2008);

Национальной светотехнической конферен ции (Интернет-формат, 2009);

5-ой Межд.научной Российско-Иранской конф.

(Санкт-Петербург, 2009);

Joint International Agricultural Conference (Wageningen, Niderland, 2009);

VI Международной светотехнической конференции Lux Pacifica (Thailand, Bangkok, 2009);

.

Научно-методические основы работы.

Вопросам энергосбережения в различных отраслях АПК посвящены работы А.М.Башилова, М.М. Беззубцевой, В.Н. Бровцина, А.П. Епифанова, Ф.Д. Косо ухова, В.Н. Судаченко, А.М. Худоногова. Исследованиями Л.К. Алферовой, Р.Ф.Афанасьевой, С.А. Овчуковой, Е.Н. Живописцева, Ю.М. Жилинского, В.Н.

Карпова, О.Ю.Коваленко, В.А. Козинского, Н.П.Кондратьевой, О.А. Косицина, Г.М. Кнорринга, Я.А. Кунгса, Г.М.Лисовского, Е.И.Мудрака, Л.Б.Прикупца, Г.С. Сарычева, Ф.Я.Сидько, А.К. Лямцова, И.И.Свентицкого, А.А.Тихомирова, И.К.Хузмиева, Н.В.Цугленка, В.П.Шарупича, И.З.Щура и других решен ряд теоретических и прикладных задач в области использования ОИ в с.-х. произ водстве. Сформулированные, обоснованные и предсказанные ими пути интен сификации производственных процессов и рационального использования энер гетических и материальных ресурсов при производстве с.-х. продукции поло жены в основу данного диссертационного исследования, которое является про должением нашей работы над кандидатской диссертацией, выполненной в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете в 1989-1992 гг.

Место выполнения работы. В диссертации приведены результаты исследо ваний, проводившихся лично соискателем и при его непосредственном участии в отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры электротехноло гии в с.-х. СПбГАУ под руководством проф. В.Н.Карпова (1989 – 1992 гг). Ос новная часть выполнялась по месту работы автора в Дальневосточном государ ственном аграрном университете (1992-2007 гг). Свое дальнейшее развитие ра бота получила во время обучения автора в докторантуре при кафедре ЭОП СПбГАУ (2008-2009 гг). Внедрение результатов работы производилось в хозяй ствах Амурской области (2008-2009 гг).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 107 печатных работах автора, (из них 17 - в рецензируемых науч ных журналах и изданиях), в том числе в одном авторском свидетельстве СССР, 10 патентах России, одной монографии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Работа содержит 386 страниц основного текста, 138 рисунков, 18 таблиц, 374 библ.наимен.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность исследования.

Глава 1. Анализ проблемы повышения эффективности оптических электротехнологий в АПК и постановка задач исследования В главе 1 дано определение объекта и предмета исследования, произведена классификация ОЭТ в АПК. Отмечено, что в результате поиска путей повыше ния эффективности воздействия на материалы, живые организмы, растения и продукты с целью получения в них целесообразно направленных изменений широкое применение получили различные виды электротехнологии, которые предусматривают производственное использование электрических и магнитных полей, электрического тока, электрических зарядов и импульсов и других элек трофизических факторов. Показано, что использование энергии ОИ как техно логического фактора не связано непосредственно с механическим и электриче ским воздействием на обрабатываемые объекты. Рассмотрены составные части ОЭТ как совокупности процессов генерации, перераспределения ОИ в про странстве и по поверхности, задания необходимого закона изменения потока во времени и его спектрального состава с целью обеспечения полезной реакции незрительного приемника излучения. Вопрос классификации облучательных установок (ОбУ) как технических средств ОЭТ напрямую увязан с особенно стями обеспечиваемых ОбУ технологических процессов.

Рассмотренное в работе многообразие технологических схем применения ОИ с учетом различных видов излучения (ВИ – видимое излучение, ИК – ин фракрасное, УФ – ультрафиолетовое, комб. – комбинированное, ОКГ – лазер ное) и типичных объектов облучения (растения, животные, материалы и вещества) показано на рисунке 1. С целью упрощения описания связей введено их символическое обозначе ние. Конечная цель анализа связей Si j заключалась в определении осо бенностей данной технологической Рис. 1. Технологические схемы схемы с выявлением перспектив применения ОЭТ в АПК энергосбережения.

Рассмотрение особенностей выделенных связей позволило вскрыть основ ную причину невысокой эффективности использования электроэнергии в ОЭТ АПК - недостаточное внимание к вопросам снижения энергоемкости всех эле ментов процесса облучения, и обосновать необходимость комплексного науч но-методического подхода к обеспечению энергосбережения в ОЭТ АПК на основе энергетического анализа.

В главе рассмотрены различные подходы в исследованиях эффективности использования электроэнергии в ОЭТ АПК. Выделено четыре периода.

Первый период (до конца 70-х гг) характеризовался экстенсивным развити ем применения ОЭТ, чему способствовали низкие тарифы на электроэнергию для сельскохозяйственных потребителей, небольшие капитальные затраты на серийно выпускаемые светотехнической промышленностью источники излуче ния, что определяло высокую экономическую эффективность применения ОИ.

Для этого периода характерна оценка совершенства ОЭТ по спектральной эф фективности, определяющей степень согласования спектров излучения источ ника и поглощения объекта (И.И.Свентицкий).

Второй период (начало 80-х годов) характеризуется все большим вниманием исследователей к энергетическим аспектам ОЭТ в связи с увеличением потреб ления электроэнергии на облучение. В ряде исследований этого времени, ка сающихся наиболее энергоемкого ИК-облучения, сделаны первые комплексные оценки основных составляющих энергетического баланса ОЭТ (А.К.Лямцов, А.Э.Шкеле). В качестве основных критериев использовались световая отдача ИИ и световая отдача потока.

Третий период исследований ознаменовался выдвижением на первый план работ по фотометрическому совершенствованию системы "облучатель - объ ект". Научные основы исследований на этом этапе были разработаны в трудах В.Н.Карпова. Здесь же следует отметить работы Г.С.Сарычева, связанные с рассмотрением действия ОИ на биологический объект.

На четвертом периоде исследований была сделана попытка поиска общих закономерностей процессов, происходящих в биологических объектах прило жения ОЭТ на основе рассмотрение термодинамики облучения (В.Н.Карпов, В.З.Щур). Системный термодинамический анализ с рассмотрением особенно стей первичного энергопреобразования лучистой энергии в воспринимающей части облучаемого объекта позволил выявить новые резервы повышения эф фективности использования электроэнергии в ОЭТ. Однако, следует отметить, что фундаментальные математические соотношения и закономерности, полу ченные с применением термодинамического подхода, а так же применяемый математический аппарат оказались весьма сложными. Их применение в практи ке энергослужбы предприятия, при практической оценке эффективности ОЭТ затруднено.

На изыскание более удобного критерия эффективности технологических схем проведения ОЭТ должен быть нацелен следующий, пятый период иссле дований, направленных на повышение эффективности использования электро энергии в ОЭТ по результатом энергоаудита. Данные исследования должны базироваться на рассмотрении движения потока энергии через все этапы ее преобразования в ОЭТ. Такой подход характерен для работ В.Н.Карпова, Н.В.Ксенза. Так, В.Н.Карповым разработан комплекс измерительных и расчет ных операций, получивший название метода конечных отношений (МКО).

На основании анализа состояния проблемы и рассмотрения вопросов приме нения ОЭТ в сельскохозяйственном производстве сделаны соответствующие выводы и намечены основные задачи исследования.

Важнейшим выводом является следующий: видовые особенности реакции различных объектов АПК на воздействие ОИ, наличие различных несравнимых между собой схем применения ОИ затрудняют анализ физико-химических и фотофизических реакций, происходящих в облучаемом объекте. В качестве ос новного критерия в оценке эффективности преобразования энергии на различ ных этапах целесообразно принять энергоемкость как универсальный энергети ческий показатель.

Глава 2 Разработка научных положений прикладной теории энергосбе режения в энерготехнологических процессах.

Проведенный в первой главе анализ показал, что для комплексного решения проблемы энергосбережения в ОЭТ необходима разработка общей теории энер госбережения в ЭТП.

Во второй главе обоснованы основные положения и практическая значи мость новой прикладной научной теории, разработанной автором - прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП).

С позиций науковедения автором показано, что научная теория должна представлять собой систему универсальных высказываний (поддающихся экс периментальной проверке и логической верификации), позволяющих описы вать устройство, предсказывать тенденции развития системы, получать (как следствие) рекомендации по проектированию алгоритма управления системой.

Для прикладной научной теории обязательным является ее изложение в точных терминах и понятиях с указанием меры и измерительной процедуры (О.М.Сичивица, О.С.Разумовский, Н.Г.Рузавин). По общепринятой классифи кации предлагаемая теория является феноменологической, т.е. в ее задачи не входит раскрытие «природы вещей» (А.И.Китайгородский). Теория внутренне непротиворечива и описывает рассматриваемый круг явлений, позволяет фор мировать практические выводы.

Структура ПТЭЭТП как науч ной теории показана на рисунке 2.

Составными частями ПТЭЭТП являются следующие:

I. Язык — совокупность терми нов и понятий, отражающих сущ ность и закономерности развития системы.

II. Аксиоматика — исходные принципы, законы, утверждения, принятые в теории в качестве ис Рис. 2. Структура ПТЭЭТП как научной теории тинных.

III. Правила вывода — набор формул для получения результатов теории, не противоречащих ее исходным принципам.

IV. Следствия — выводы, полученные по правилам теории.

Рассмотрим составные части, входящие в соответствующие подсистемы ПТЭЭТП.

I. В подсистему языка теории входит алфавит, словарь и формулизм теории.

Алфавит представляет собой список букв и знаков, которые могут быть ис пользованы для написания текстов в некотором математическом языке. Алфа витом ПТЭЭТП являются общепринятые символы и знаки, обозначающие ма тематические действия над ними.

Словарь теории представляет собой список имен всех объектов, входящих в состав теории. Все термины должны описываться символами, предъявленными в алфавите. Словарь ПТЭЭТП составляют следующие основные понятия (здесь же даны основные определения).

1. Искусственная биоэнергетическая система (ИБЭС) – модель, представ ляющая в рамках ПТЭЭТП энергетику сельскохозяйственного предприятия с учетом биологического характера объектов воздействия применяемых энерго технологий. Структура ИБЭС показана на рисунке 2. Объекты ИБЭС – характерные элементы, выделяемые в ее структуре.

3. Энерготехнологический процесс (ЭТП) – технологический процесс, в ходе которого производится энергетическое воздей ствие на объекты ИБЭС.

Условными граница ми ИБЭС на входе явля ется место установки приборов коммерческого учета потребления всех видов энергии, на выходе Рис.3. Структура искусственной биоэнергетической - место учета количества системы (ИБЭС) продукции.

Функционирование ИБЭС происходит в рыночной среде. Рынок энергии оп ределяет действующие тарифы на энергию. Рынок технологий и технологиче ского оборудования обусловливает КПД применяемых технических средств.

Рынок энергетического оборудования предусматривает возможность выбора соответствующего оборудования. Производимая ИБЭС продукция поступает на рынок продукции. Необходимым является учет энергетических потерь в окру жающую среду. Рынок образовательных услуг (рынок знаний) определяет адек ватный выбор технологического и энергетического оборудования.

Важнейшими объектами ИБЭС и соответствующими им ЭТП являются:

- Непосредственно сельскохозяйственный биологический объект (СБО). На значением потребляемой энергии является непосредственное проведение ос новного технологического процесса производства продукции для реализации ( ЭТП О ).

- Технические средства обеспечения микроклимата (ТСМ). Потребляемая энергия идет на обеспечение условий жизнедеятельности - обогрев, освещение, вентиляция, кондиционирование и т.п. ( ЭТП М ).

- Биологические и технические средства (БТС) подготовки ЭТП О обработки СБО. Затраты энергии здесь обусловлены необходимостью предварительной подготовки условий для осуществления основного производственного процесса ( ЭТП П ).

Для многих ЭТП в сельском хозяйстве можно проследить следующую при чинно-следственную связь: величина подводимой энергии (Q ) определяет ве личину характеризующего процесс параметра, являющегося мерой воздействия создаваемого энергетическим воздействием фактора на живой организм ( X ), от которой, в свою очередь, зависит количество производимой продукции ( P ). В любом ЭТП происходят так же потери энергии ( Q ). Примером могут служить следующие ЭТП. В агрономии: затраты на внесение удобрений ( Q ) определяют создаваемую в почве концентрацию активного элемента ( X ), от которой зави сит урожайность выращиваемых культур ( P ). В животноводстве: энергия на создание микроклимата ( Q ) определяет температуру воздуха в животноводче ском помещении ( X ), от которой зависит продуктивность животных ( P ).

На рисунке 4 показаны в относительных единицах для условий светокульту ры зависимости количества производимой продукции P и энергоемкости ЭТП от характеризующего процесс параметра X (облученности), т.е. функции PX и X, а так же зависимость параметра X от величины подводимой энергии Q, т.е.

функция X Q. Анализ представленных графиков свидетельствует, что при увели чении количества затрачиваемой энергии растет значение величины облученности, что (до некоторых пределов) приводит к росту урожайности облучаемых растений, при этом оптимум урожайности соответ ствует точке «А» (максимум на кривой зависимости урожайности от облученно сти PX ). Однако с точки зрения энергоза трат оптимальным является режим, соот ветствующий точке «В» (минимум энер гоемкости процесса облучения в зависи мости от создаваемой облученности X ).

Для ИБЭС в целом состояние системы Рис.4. Характеристики может характеризоваться многими пара типичного ЭТП метрами (т.е. вектором размерностью m ) 4. Вектор внутреннего состояния X j - набор параметров, численно характе ризующих создаваемые условия функционирования СБО.

5. Обобщенные координаты - координаты, в которых описываются из менения составляющих вектора X j.

6. Энергетический блок – абстракция ЭТП или его отдельного этапа.

7. Характеризующие энергетический блок параметры: энергия на его входе ( Qн ), выходе ( Qк ), потери ( Q ), энергоемкость.

8. Энергосберегающее мероприятие (ЭСМ) – мероприятие любой природы направленное на эффективное использование энергетических ресурсов.

9. Коэффициент эффективности ЭСМ k ЭСМ (для i -го этапа ЭТП k ЭСМ i ) – ве личина, являющаяся численной мерой эффективности мероприятия.

10. Продуктивность ИБЭС P - количество продукта, производимого систе мой.

11. Прибыль П - денежное выражение разницы между доходом, получае мым при реализации продукции ИБЭС и затратами на ее получение.

Формулизм теории (утверждения, формулы и соотношения) связывает поня тия, входящие в словарь, с помощью знаков, определенных алфавитом теории.

Формулизм ПТЭЭТП составляют следующие соотношения.

1. Уравнение энергетического баланса блока Qн = Qк + Q,. (1) 2. Выражение для энергоемкости в абсолютных единицах Q = н,. (2) Qк Индекс «, » является показателем того, что состояние энергетического блока рассматривается при данных значениях обобщенных координат.

3. Выражение для энергоемкости в относительных единицах = k н, (3) где k - коэффициент отклонения энергоемкости;

н - номинальное значение энергоемкости.

4. Критерий оптимизации функционирования ИБЭС П П m X min, (для однопараметрической модели X = 0 ). (4) j = j 5. Условие оптимизации m X min, (для однопараметрической модели X = 0 ). (5) j =1 j 6. Коэффициент эффективности i -го этапа ЭСМ i k ЭСМ =, (6) i i где i - энергоемкость этапа в базовом варианте его проведения;

i - энергоемкость этапа при проведении ЭСМ.

7. Алгебраические выражения для функциональных зависимостей = f ( ), характеризующие зависимость энергоемкости этапа с параметром от вели чины параметра.

II. Подсистема аксиом реализует функцию фиксации утверждений форму лизма теории как истинных высказываний (постоянные аксиомы) и задает на чальные, краевые, граничные условия и ограничения (переменные аксиомы).

Основными аксиомами ПТЭЭТП следует считать следующие.

1. Действие закона оптимума. В соответствии с этим законом, любой фактор X, воздействующий на СБО, имеет лишь определенные пределы положитель ного влияния. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрица тельно сказывается на жизнедеятельности СБО. Функция отклика СБО от вели чины воздействующего на него фактора PX имеет более или менее четко выра женный максимум.

2. Нелинейность функциональной зависимости величины формируемого фактора X от интенсивности энергетического воздействия Q, причем для дос тижения одинаковых приращений величины формируемого фактора необходи мо прилагать все большие приращения интенсивности воздействия. Такая зако номерность характерна для процессов, потери энергии в которых увеличивают ся с увеличением интенсивности энергетического воздействия.

3. При функционировании ИБЭС соблюдается закон сохранения энергии.

4. Для любого состояния ИБЭС может быть измерена или вычислена энерго емкость ее любого энергетического блока.

5. Зависимость энергоемкости энергетического блока от внешних воздейст вий однозначно определяется некоторой функциональной зависимостью.

6. В рыночной среде функционирования ИБЭС определяющим параметром ее эффективности является прибыль.

III. Подсистема правил вывода представляет собой список формул, которые являются эквивалентными. В ПТЭЭТП такими правилами являются следую щие.

1. Значение энергоемкости n последовательно соединенных энергетических блоков подчиняется мультипликативному закону n = i. (7) i = 2. При параллельном соединении n энергетических блоков (с долей потреб ляемой энергии i каждым), выполняется аддитивный закон для обратных ве личин 1 n i =. (8) i i = 3. Коэффициент общей эффективности из n ЭСМ вычисляется по мультип ликативному закону n k ЭСМ = k ЭСМ. (9) i i = IV. Выводы и следствия ПТЭЭТП определяют практическую значимость теории и формы ее реализации в сельскохозяйственном производстве.

1. Проектирование и оценка эффективности отдельных ЭСМ.

Теоретической схемой для энергетического анализа ЭТП является совокуп ность абстрактных объектов – энергетических блоков, ориентированная, с од ной стороны, на применение соответствующего математического аппарата, с другой – на проектирование возможных реальных ситуаций. Отдельные блоки представляют собой идеализированные представления (теоретические модели), основной характеристикой которых является энергоемкость. Для более глубо кого анализа процессов в энергетических блоках с учетом их физической при роды может применяться наиболее адекватный в каждом конкретном случае математический и понятийный аппарат: вектор Умова-Пойнтинга при элек троэнергетическом анализе, световой вектор (вектор Гершуна) при фото энергетическом анализе, зависимости продуктивности биообъекта от внеш них воздействий при биоэнергетиче ском анализе. Основой энергетическо го анализа является метод конечных отношений (МКО), предложенный и обоснованный проф. В.Н.Карповым.

Отдельный этап ЭТП может быть проведен различными альтернатив ными вариантами. На рисунке 5 пока зано дерево альтернативных вариан тов проведения этапов ЭТП по срав Рис.5. Оптимизация проведения нению с базовым вариантом. Опти этапов ЭТП мальной ветвью дерева ( j -й вариант ЭСМ) является такая, на которой наблюдается минимальное значение энерго емкости данного этапа i' ОПТ = MIN { i' }. (10) Значение оптимального коэффициента эффективности ЭСМ на данном этапе i k ОПТ =. (11) i' ОПТ ЭСМ i Однако выбор «маршрута» на дереве возможных ЭСМ следует производить из условия максимизации общего коэффициента эффективности. Его значение для оптимизированного ЭТП i n = MAX k ОПТ, (12) ij' ЭСМ i = (патент РФ №2357342).

2. Обоснование режима проведе ния ЭТП. Выбор режима произво дится по функциональным зависи мостям = f ( ) (рис.6). Пусть кри вая = f = 2 ( ) характеризует зави Рис.6. К обоснованию снижения симость энергоемкости этапа с па энергоемкости ЭТП раметром = 2 от величины параметра (заданного относительной величиной k = н ), а кривая = f =1 ( ) - этапа с параметром = 1 (причем 1 2 ). В базовом варианте (т.А на графике) энергоемкость этапа A.

Анализ таких зависимостей показывает, что снижение энергоемкости воз можно различными путями:

- Переход к режиму эксплуатации с энергоемкостью B A, соответствую щему т.В на графике. Пусть такой переход обеспечивается техническим меро приятием – изменением величины параметра от 2 к 1 ( 1 2 ), (а в более общем случае – стабилизации параметра при наличии случайных или систе матических его отклонений).

- Переход к режиму эксплуатации с энергоемкостью C A, соответствую щему т.С на графике. Пусть такой переход обеспечивается организационным мероприятием – обеспечением режима эксплуатации с параметром 1 2.

- Переход к режиму эксплуатации с энергоемкостью D C, B A, соот ветствующему т.D на графике. Такой переход обеспечивается совместным вы полнением указанных выше организационно-технических мероприятий.

Эффективность отдельных ЭСМ независимо от их природы характеризуется ЭСМ значениями соответствующих коэффициентов эффективности k qp, которые символически показаны на рисунке 6 в виде переходов между соответствую щими режимами q и p эксплуатации.

3. Формирование энергосберегающего алгоритма управления.

Для непрерывных процессов представляет интерес разработка энергосбере гающего алгоритма управления ЭТП, задачей которого является поддержание минимального значения энергоемкости в любой момент времени. Наиболее перспективным представляется способ, при котором минимальное значение энергоемкости ищется непосредственно при проведении ЭТП, по результатам постоянного мониторинга его параметров.

Структурная схема энергосберегаю щей системы управления показана на ри сунке 7. Входом системы является поток энергоносителя Q, выходом - поток про изводимой продукции P.

Система работает следующим обра зом. На вход объекта управления 3, под которым можно подразумевать как ЭТП в целом, так и его отдельный этап, через блок автоматизированного управления объектом 1 и блок определения расхода энергоносителя 2 подается поток энерго Рис.7. Схема энергосберегающей носителя Q. Результатом ЭТП является системы управления ЭТП производство продукта, количество которого в виде потока производимой про дукции P проходит через блок определения производительности 4.

На выходе блока 6 формируется значение характеризующего процесс пара метра X, в обобщенных координатах и. Задатчик моментов времени 5 с некоторым интервалом выдает метки времени, в соответствии с которыми в блоках 7 и 9 вычисляются соответственно мгновенные значения расхода энер гоносителя Qi и мгновенные значения производительности Pi. В блоке 8 про изводится определение мгновенного значения энергоемкости i в заданные моменты времени при текущем значении характеризующего процесс параметра X,. В блоке 10 по результатам анализа динамики изменения энергоемкости до текущего момента времени производится прогноз ее значения i +1 на следую щий момент времени. В блоке 11 производится принятие решения о необходи мости изменения количества подаваемого на объект управления энергоносите ля. Соответствующий сигнал подается на блок автоматизированного управле ния объектом 1 (патент РФ №2361262).

Таким образом, разработанная автором ПТЭЭТП представляет собой систе му поддающихся доказательству универсальных высказываний, позволяющих описать энергетическую сущность, устройство и механизмы работы ИБЭС, прогнозировать ее поведение, формулировать рекомендации по оптимизации режимов проведения ЭТП.

Требования к языку ПТЭЭТП удовлетворяют принципам физической реали зуемости и наблюдаемости. В состав языка включены понятия, представленные в терминах измеряемых величин, что позволяет экспериментально проверять результаты теории и согласовывать их с универсальными законами природы.

Требования к аксиоматике ПТЭЭТП удовлетворяются тем, что в ее основе лежат универсальные законы (в т.ч. закон сохранения энергии). При энергети ческом анализе используется МКО. Объект приложения теории – ИБЭС – ха рактеризуется измеряемыми объективными величинами.

Разработанная в общем виде теория позволила перейти к энергетическому рассмотрению возможности энергосбережения в ОЭТ на основе оптимизации параметров технологических процессов с применением ОИ.

Традиционно облучение рассматривается как один из факторов других тех нологических процессов (выращивания животных, культивирования растений и т.д.). В связи с важностью ОИ в электротехнологиях сельского хозяйства нами предложено выделить в отдельный технологический процесс сам процесс облу чения. Таким образом, под технологическим процессом облучения (ТПО) пред лагается понимать процесс создания требуемых спектральных характеристик излучения;

обеспечения требуемого пространственного распределения потока и его распространения по поверхности;

соблюдения требуемого закона измене ния параметров излучения во времени и т.д.

Преобразования энергии в ТПО могут быть представлены последовательно стью ряда этапов, например (рис.8):

I этап – подача электроэнергии к источнику излучения (ИИ);

II этап - генерирование потока ОИ в ИИ;

III этап - формирование потока ОИ отражателем;

IV этап - формирование пространственного распределения потока ОИ;

V этап - формирование поверхностного распределения энергии потока ОИ на облучаемом объекте (ОО);

VI этап - поглощение энергии ОО и превращение ее в другой вид.

Перенос энергии ОИ происходит в пространстве и веществе со скоростью света (~ 3 10 8 м/с), поэтому этапы ТПО практически не разнесены во времени.

Физическими границами этапов являются элементы энергетической систе мы: линия электропитания, ИИ, среда, поверхность ОО. Протекание каждого этапа характеризуется своим параметром: потребляемой мощностью P, Вт;

генерируемым потоком Ф, (напр., лм в световой системе единиц);

его распре делением в пространстве I, (напр., кд);

освещенностью E, (напр., лк);

количе ством фотопродукта p, кг.

Среди ряда последовательных этапов превращения энергии в ТПО наиболь ший интерес представляет участок, на котором энергия передается в виде поля ОИ. Этот участок, выделенный на рисунке 8 пунктиром, назван нами виртуаль ным энергетическим блоком (ВЭБ). Особенностью его является то, что он не посредственно не связан с элементами энергетической системы.

Рис.8. Этапы преобразования энергии в ТПО: 1 - источник электрического питания;

2 – источник излучения;

3 – облучатель;

4 - облучаемый объект Энергоемкость ВЭБ определяется пространственным распределением пото ка излучения, характеристиками поверхности облучаемого объекта, компоно вочными параметрами ТПО. Наиболее важным представляется рассмотрение энергоемкости ВЭБ в плане спектрального соответствия генерируемого и по глощаемого потоков. Эта задача возникает при облучении растений, в силу вы сокой энергоемкости светокультуры. Минимизация энергоемкости ВЭБ являет ся важнейшей составляющей оптимизации ТПО в целом.

В применении к ВЭБ энергия на входе Qн представляет собой энергию, генерируемую облучательной установкой для создания определенных параметров радиационного режима растений. Под энергией на выходе Qк следует понимать энергию, которая может быть полезно воспринята растениями с учетом их требований к спектральным параметрам потока из лучения.

На рисунке 9 показана схема к определению энергоемкости ВЭБ при облуче нии растений.

В настоящее время в соответствии с Рис.9. Схема к определению действующими в отрасли методиками энергоемкости ВЭБ спектральный состав ОИ характеризуют при облучении соотношением интенсивности излучения растений:

трех спектральных диапазонов k i, % :

1 – облучательная синего k син (400..500 нм), зеленого k зел установка, 2 – ВЭБ, (500..600 нм) и красного k кр (600..700 нм) 3 – облучаемые диапазона фотосинтетически активной растения.

радиации (ФАР). Продуктивность облу чаемых растений повышается при при ближении создаваемых спектральных параметров потока к нормативным зна чениям k iн. Для некоторых светокультур найдены спектральные соотношения, обеспечивающие наилучшие результаты (Прикупец, Тихомиров). Например:

для огурца - k н : k н : k н =17 % : 40 % : 43 %, для томата - k н : k н : k н = 15 % :

син зел син зел кр кр 17 % : 68 % (средние значения).

Как правило, спектральный состав реальных ИИ отличен от нормативного, т.е. реальные значения k i не равны k н. Такие спектральные отклонения приво i дят к потерям, что увеличивает энергоемкость ВЭБ и всего процесса облучения.

Природа этих потерь связана с необходимостью обеспечить требуемую об лученность в наиболее «дефицитном» спектральном диапазоне, завысив ее в других диапазонах. Нами показано, что энергоемкость ВЭБ в плане спектраль ного соответствия потоков определяется по формуле k н = MAX. (13) i ki Производя вычисления по формуле (13) для различных спектральных со четаний kсин : k зел : k кр, можно постро ить график в треугольных координа тах, (как показано на рисунке 10 на примере светокультуры огурца), кото рый удобен для непосредственного определения значения энергоемкости потока по его спектральному составу.

Точка А на графике соответствует нормативным значениям спектрально го состава потока излучения для огур ца, точка В – значениям для числен ного примера. Рис.10. Отображение результатов На основе прикладной теории вычисления энергоемкости потока ОИ энергосбережения автором разработа- в треугольных координатах ны частные методики энергетического анализа этапов ТПО.

На этапе подачи электроэнергии к ИИ одной из эффективных мер энерго сбережения является стабилизация условий питания ИИ. Стабилизированное напряжение продлевает срок жизни ИИ и снижает энергопотребление. Показа телем эффективности использования энергии на данном этапе является коэф фициент отклонения потребляемой энергии.

Энергоемкость данного этапа, отн.ед.

n pk I = 1 qФ q kU, (14) T i Ui i i = где n – количество интервалов разбиения гистограммы отклонений напряжения pi (отн.ед.), характеризующей вероятность попадания величины напряжения в соответствующий интервал напряжений kU (отн.ед.);

i qФ - показатель, характеризующий чувствительность коэффициента отклонения потока ИИ от коэффициента отклонения напряжения, отн.ед.;

qТ - показатель, характеризующий чувствительность коэффициента отклонения срока службы ИИ от коэффициента отклонения напряжения, отн.ед.;

На этапе генерирования потока в ИИ одной из эффективных мер энергосбе режения является обоснованный выбор наиболее эффективного ИИ. Показате лем эффективности использования энергии на данном этапе является отдача источника.

Энергоемкость данного этапа, (напр., Вт/лм) II = P Ф, (15) где P - мощность, потребляемая ИИ, Вт;

Ф - эффективный поток ИИ, (напр., лм);

На этапе формирования потока отражателем одной из эффективных мер энергосбережения является использование отражающего покрытия на облуча теле, наиболее оптимальным образом производящего спектральную коррекцию генерируемого ИИ потока. Показателем эффективности на данном этапе явля ется форма кривой спектрального коэффициента отражения облучателя.

Энергоемкость данного этапа, отн.ед.

III = k k, (16) где - интенсивность излучения ИИ на длине волны, отн.ед.;

k - чувствительность ОО на данной длине волны, отн.ед., - спектральный коэффициент отражения поверхности облучателя, отн.ед.;

На этапе формирования пространственного распределения потока одной из эффективных мер энергосбережения является формирование оптимального пространственного распределения потока. Показателем эффективности на дан ном этапе является коэффициент использования потока поверхностью ОО.

Энергоемкость данного этапа, отн.ед.:

IV = I d I d, (17) 4 где I - зависимость силы излучения (напр., кд.) от угла (град.);

- величина телесного угла, в пределах которого сосредоточен поток, падающий на ОО, ср.;

На этапе формирования поверхностного распределения потока на ОО одной из эффективных мер энергосбережения является формирование требуемого по верхностного распределения потока на ОО. Показателем эффективности на данном этапе является коэффициент использования полезного потока поверх ностью ОО.

Энергоемкость данного этапа, отн.ед.:

V = I d I d, (18) где - величина телесного угла, в пределах которого сосредоточен поток, создающий на ОО условия облученности требуемого качества, ср.;

На этапе поглощения энергии ОИ объектом и превращения ее в другой вид одной из эффективных мер энергосбережения является повышение эффектив ности поглощения и превращения энергии излучения объектом. Показателями эффективности на данном этапе могут выступать спектральная чувствитель ность (для селективного приемника) интегральная чувствительность (для несе лективного приемника) либо коэффициент поглощения (при поглощении пото ка без его преобразования).

Энергоемкость данного этапа, (напр., лм/кг) VI = E x dS p, (19) S где S - поверхность ОО, на которой эффективно воспринимается поток, м 2.

Выводы по главе 2.

1. Предложена концепция искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) как совокупности самого сельскохозяйственного биологического объ екта, технических средств обеспечения микроклимата, биологических и техни ческих средств подготовки основного технологического процесса. Выделены соответствующие отмеченным составляющим ИБЭС группы ЭТП: основной, обеспечивающий и подготовительный. Математическая оптимизация эффек тивности ИБЭС показала, что решение задачи энергосбережения возможно снижением энергоемкости этапов ЭТП.

2. Анализ типичных ЭТП сельского хозяйства показал, что универсальными законами функционирования СБО являются закон оптимума и закон нелиней ности функциональной зависимости величины формируемого фактора от ин тенсивности энергетического воздействия. Совместное действие определяет возможность формулирования оптимизационной задачи - обеспечение мини мальной энергоемкости ЭТП.

3. Рассмотренную общую методологию энергетического подхода к анализу ЭТП на основе объемности энергии следует интерпретировать как прикладную теорию энергосбережения в ЭТП.

4. Разработанные на основе ПТЭЭТП частные методики энергетического анализа этапов ТПО позволяют решать задачи снижения энергоемкости на от дельных этапах ТПО.

Совокупность общей теории и частных методик является научно методическим обеспечением энергосбережения в ОЭТ АПК, позволяющим ре шать задачи снижения энергоемкости этапов ТПО.

Глава 3. Экспериментально-теоретические исследования характерных элементов ТПО (источников излучения, облучаемых объектов, компоно вочных схем), необходимые для энергетического анализа его этапов Важнейшим элементом ТПО являются источники излучения. В работе рас смотрены результаты исследования характеристик газоразрядных ламп (ГЛ), применяемых в светокультуре (ДРИ, ДНаТ). В предварительных экспериментах была выявлена необходи мость определения факти ческих значений спек тральных, электрических и энергетических парамет ров ГЛ. Для этих целей при непосредственном участии автора был раз работан комплекс техни- Рис. 11. Структурная схема измерительного комплекса ческих и программных средств (КТПС), ориентированный на обеспечение эффективного использова ния ламп в теплицах, оптимизацию радиационных режимов с учетом реальных условий эксплуатации и электрического питания, разброса и изменения в тече ние срока службы основных параметров ГЛ (Пат. РФ №2368875). Разработка выполнялась на основании письма Уренгойской ГРЭС №2-261-1 от 17.10.89 г.

для светотехнической лаборатории светонепроницаемой теплицы.

Структурная схема аппаратных средств комплекса показана на рисунке 11.

Центральным звеном здесь является интерфейсный блок (ИБ), основное назна чение которого - согласование работы первичных преобразователей оптических и электрических характеристик ГЛ с ЭВМ.

В качестве первичных преобразователей электрических характеристик при менены измерительные трансформаторы напряжения и тока. ИБ является про граммно доступным узлом комплекса и функционирует в соответствии с алго ритмом, заложенным в память ЭВМ и по командам от нее.

Известны исследования С.В.Гулина, показавшего, что спектральные и элек трические характеристики ГЛ зависят от величины напряжения питания. На рисунке 12 показан найденный нами характер изменения интенсивности основ ных спектральных линий ламп ДРИ-2000 при отклонениях напряжения питания для ламп с различным временем наработки T.

Рис.12. Спектральные Рис. 13 Зависимость потока Рис. 14 Зависимость энерго характеристики ламп ФАР от величины питающего емкости от величины напря ДРИ-2000 с различным напряжения для ламп ДРИ- жения питания для ламп временем 2000 с различным временем ДРИ-2000 с различным вре наработки наработки T менем наработки T В начале эксплуатации лампы (время наработки T =100 ч) для линий добавок натрия и скандия (474, 510, 589 нм) характерно следование отклонениям на пряжения при весьма широком диапазоне изменения их интенсивности (до ± 40% от номинального значения в пределах отклонения напряжения ± 5%). У старых ламп (время наработки T =4000 ч) при тех же условиях электрического питания отклонения интенсивности излучения линий добавок наблюдается в существенно меньшем диапазоне ( ± 20%). Интенсивность излучения линий ртути (405,435,546 нм) у новых ламп при малых снижениях напряжения пи тания возрастает, достигает максимума при напряжении близком к 0,95 от но минального значения, а затем падает. У старых ламп аналогичные изменения происходят в большем диапазоне значений. Значительные изменения величины энергии (в диапазонах ФАР и в целом) происходят и при отклонениях питаю щего напряжения, как это следует из рисунка 13. Необратимые изменения, про исходящие с ГЛ в процессе эксплуатации приводят к спаду потока ФАР и пере распределению энергии излучения по спектру.

На рисунке 14 показана зависимость коэффициента отклонения энергоемко сти k от величины коэффициента отклонения напряжения питания для ламп с различным временем наработки T. Подробно данный тип графика проанализи рован при рассмотрении рисунка 6. В данном случае координатой является величина питающего напряжения, задаваемая k U, а координатой - время наработки T.

В соответствии с предлагаемыми ПТЭЭТП принципами обоснования режи мов проведения ЭТП показано, что снижение энергоемкости возможно стаби лизацией питающего напряжения при наличии случайных или систематических отклонений его величины, соблюдением режимов обслуживания ОбУ, совмест ным выполнением указанных организационно-технических мероприятий.

Проведенные экспериментально-теоретические исследования источников ОИ как характерных элементов ТПО позволяют сделать следующие выводы:

- В процессе эксплуатации ИИ происходят значительные изменения их спек тральных, электрических и энергетических характеристик. Компенсация этих изменений по причине старения ламп не может быть произведена путем изме нения величины напряжения питания.

- Характеристики ИИ подвержены значительному статистическому разбро су. Для вероятностного проектирования ОУ с указанием количественных пара метров радиационной среды и их допусков, а так же для сохранения этих до пусков при замене ИИ необходимы значения статистических показателей тех нологического разброса.

- Реальным путем учета различий и изменений характеристик ламп по при чине старения, отклонений величины питающего напряжения и технологиче ского разброса параметров является компоновка групп ламп с близкими пара метрами для совместной эксплуатации в одной ОбУ.

- Для проведения обоснованной компоновки групп необходима аттестация применяемых ИИ. Аттестация должна проводиться с обязательным учетом спектральных характеристик ламп. Это позволит осуществить эксплуатацион ное энергосбережение в ОбУ путем нормализации параметров радиационной среды теплицы.

В качестве характерных элементов ТПО рассмотрены растения как объекты облучения со сложной архитектоникой. По результатам проведенных экспери ментов для характеристики геометрической структуры кроны растения пред ложено принять кривую миделевого сечения (КМС) кроны. Исследования про водились на специально изготовленном приборе - фитогониофотометре (Пат.РФ №2367905) (рис.15), управляемого ЭВМ с помощью разработанной программы (рис.16).

Рис.15. Общий вид Рис.16. Окно измерительного фитогониофотометра модуля программы Показано, что снижение фотометрических потерь возможно при максимиза ции произведения компоновочного коэффициента k комп, характеризующего па раметры облучательной установки, на площадь миделевого сечения кроны S, определяемое пространственной структурой кроны облучаемого растения kкомп S max. (20) Предложен способ оценки приемлемости облучателей с различным свето распределением для создания оптимального радиационного режима растений по соответствию компоновочной схемы облучательной установки пространст венной структуре кроны растения, задаваемой КМС.

На основании экспериментальных исследований построены графики по типу рисунка 6, где координатой является угол, характеризующий компоновочную схему, а координатой - форма пространственного распределения потока облучателя. В соответствии с предлагаемыми ПТЭЭТП принципами обоснования режимов проведения ЭТП показано, что снижение энергоемкости возможно оптимизацией компоновочной схемы, применением облучателей с соответствующим светораспределением, совместным выполне нием указанных мероприятий.

В работе произведены экспериментально-теоретические исследования по верхностного распределения потока как важнейшего этапа ТПО. Исследования проводились в климатических камерах НИИ растениеводства им.Н.И.Вавилова (г.Павловск). На рисунке 17 показан макет модуля климатической камеры, на рисунке 18 – пример картины распределения облученности. Показано, что при расчете энергоемкости этапа для вычисления потоков следует использовать формулу Ф = E M dS, (21) S причем отнесение найденного значения потока в окрестности т. М на поверх ности S к полезному или потерям производится в соответствии с требованиям к качеству создаваемой в данной точке облученности E M.

Рис. 17. Макет модуля Рис. 18. Картина изолюкс климатической камеры (ДРИ-2000, Фотос) для макета модуля Тем самым, показано, что энергоемкость этапа поверхностного распределе ния потока может быть вычислена по известному распределению облученности на облучаемой поверхности.

На основании экспериментальных исследований построены графики по типу рисунка 6, где координатой является высота подвеса излучателя H, а координатой - форма пространственного распределения потока облучателя. В соответствии с предлагаемыми ПТЭЭТП принципами обоснования режимов проведения ЭТП показано, что снижение энергоемкости возможно изменением высоты подвеса, применением облучателей с соответствующим светораспреде лением, совместным выполнением указанных мероприятий.

В работе рассмотрены результаты исследования объемного облучения (воз духа, потока сыпучего материала). Результаты экспериментов позволили сде лать следующие выводы:

- Традиционная технологическая схема, характеризуемая односторонним облучением слоя материала, не является перспективной, так как обнаруживает противоречия при предъявлении требований к повышению качества обработки.

Метод объемного облучения исключает эти противоречия, сохраняет поточ ность технологии и позволяет повысить качество лучистой обработки.

- В рассмотренных направлениях применения объемных облучателей (для непрерывных потоков материала и для случая взвешивания сыпучих материа лов в объемном облучателе) показано, что наибольшее значение имеет эффек тивный телесный угол.

- Особую роль играет коэффициент ослабления потока излучения в мате риале, так как высокое качество облучения можно обеспечить только с учетом этой характеристики материала.

- Показано, что для свободно падающего потока сыпучего материала с высо ким коэффициентом поглощения каждой частицы, коэффициент ослабления является случайной функцией структуры потока материала и ее динамики, ко торые трудно поддаются исследованиям и практически нерегулируемы.

- Показано, что величина полученной частицами энергии распределяется по нормальному закону, параметры которого зависят от времени облучения.

Полученные математические соотношения позволяют перейти к инженер ному проектированию установок объемного с параметрами, обеспечивающими снижение энергоемкости процесса облучения.

На основании экспериментальных исследований построены графики по типу рисунка 6, где координатой является энергетическая яркость облучателя B, а координатой - коэффициент формы поперечного сечения k A установки объ емного облучения. В соответствии с предлагаемыми ПТЭЭТП принципами обоснования режимов проведения ЭТП показано, что снижение энергоемкости возможно повышением энергетической яркости, оптимизацией формы сечения, совместным выполнением указанных мероприятий.

В работе рассмотрены результаты исследования технологических схем объ емного облучения жидких сред УФ-потоком. Показано, что для традиционно применяемых схем характерен основной недостаток, заключающийся в увели чении потерь энергии ОИ при ужесточении требований к качеству облучения среды.

Данного недостатка лишена технология с коллинеарным направлением век торов скорости движения жидкости и потока излучения. В предельном случае возможно снижение энергоемкости до теоретически минимального значения (Заявка на патент №2009117967 «Способ энергосберегающего объемного облу чения поглощающих сред»).

На основании экспериментальных исследований построены графики по типу рисунка 6, где координатой является величина показателя степени влияния качества облучения (его равномерности) на эффективность процесса, а координата характеризует применяемую технологическую схему облучения.

В соответствии с предлагаемыми ПТЭЭТП принципами обоснования режимов проведения ЭТП показано, что снижение энергоемкости возможно оптимизаци ей этих параметров.

Проведенные экспериментально-теоретические исследования комбиниро ванного облучения как характерного примера ТПО позволяют позволяют сде лать следующие выводы:

- При использовании комбинированного бинарного потока эффективный те лесный угол становится функцией коэффициента комбинации составляющих потоков.

- Определение эффективной поверхности облучения по ограничительным требованиям к коэффициенту комбинации в этом случае должно сочетаться с учетом требований к величине облученности каждым из составляющих пото ков.

- Понятие коэффициента комбинации позволяет перейти к определению комбинированной яркости через пространственное распределение коэффициен та комбинации сил излучения. Предложенные понятия и методы делают воз можным расчет параметров бинарного облучателя методами, используемыми для монопотоков.

- Энергоемкость процесса бинарного облучения является функцией коэффи циента комбинации составляющих потоков.

На основании экспериментальных исследований построены графики по типу рисунка 6, где координатой является величина коэффициента комбинации потоков, а координата характеризует пространственное распределение пото ков применяемых облучателей. В соответствии с предлагаемыми ПТЭЭТП принципами обоснования режимов проведения ЭТП показано, что снижение энергоемкости возможно оптимизацией этих параметров.

В работе проведены экспериментально-теоретические исследования облуче ния животных в подвижных УФ облучательных установках. Результаты иссле дований показали:

1. При существенно различных характерах КСИ (равномерной, косинусной, синусной), остающейся постоянной в процессе движения облучателя), распре деление дозы излучения по поверхности различается весьма незначительно.

2. Максимальное значение дозы приходится на хребет животного.

3. Распределение дозы по поверхности животного весьма неравномерно.

4. При типовых компоновочных решениях облучательной установки излу чение не достигает поверхности тела животного вне пределов угла ± 60 o от вер тикальной оси.

5. Применение облучателя с фиксированным распределением потока в про странстве не позволяет существенно снизить энергоемкость путем выбора оп тимальной формы КСИ. Выходом из этого положения является изменение формы КСИ в процессе перемещения облучателя путем изменения формы от ражающих поверхностей облучателя, изменения положения источника излуче ния относительно отражателя либо корректирование значений сил излучения для данного положения излучателя путем изменения напряжения питания ис точника УФ-излучения.

На основании экспериментальных исследований построены графики по типу рисунка 6, где координатой является величина коэффициента допустимой неравномерности распределения дозы облучения, а координата характеризует характер изменения пространственного распределения потока излучателя в процессе его движения.. В соответствии с предлагаемыми ПТЭ ЭТП принципами обоснования режимов проведения ЭТП показано, что сниже ние энергоемкости возможно оптимизацией этих параметров.

В работе проведены экспериментально - теоретическое исследование ИК об лучения животных с учетом их вероятностного поведения.

Рассмотрение этологии поведения группы животных позволяет выделить два характерных положения животных: каждый теленок в данный момент времени может либо стоять, либо лежать. На рисунке 19.а показано, что при этом суще ственно различным является степень использования генерируемого ОУ потока излучения.

Для построения адаптивной системы управления, алгоритм работы которой вырабатывается на основе динамики поведения животного, необходимо поль зоваться методом решения задач со случайными параметрами. Исходными дан ными являются результаты хронометража суточного поведения животных. На рисунке 19, б, вверху, показан пример статистической суточной модели поведе ния одного теленка, на том же рисунке, внизу - группы телят.

Получены математиче ские выражения, необходи мые для реализации энерго сберегающего адаптивного алгоритма управления ОУ с учетов вероятностного пове дения животных. Такой ал горитм состоит в следую щем: периодически (с интер валом ) происходит опрос датчиков положения живот а) б) Рис. 19. К определению степени полезного использова- ных и определяется число ния потока (а) и модель поведения животного (б) лежащих животных;

полу ченные значения сравнивают с определенным порогом, и по результатам срав нения принимается решение u 0 (включить облучение) либо u1 (выключить об лучение), действительное на промежутке времени.

Показано, что для определения коэффициента эффективности применения такого алгоритма необходима информация о компоновочной схемы ОУ и экс периментальные статистические данные о динамике поведения животных.

Таким образом, предложенная прикладная теория энергосбережения полу чила свое экспериментально-теоретическое подтверждение в применении к ТПО при оптимизации параметров облучения по энергоемкости, несмотря на принципиальные различия характерных элементов ТПО (источников излуче ния, облучаемых объектов, компоновочных схем).

Глава 4. Практическая реализация и технико-экономическое обоснова ние энергосберегающих мероприятий. Внедрение концепции энергосбере жения в инновационном высшем образовании В данной главе рассмотрена роль аттестации ИИ как основы энергетическо го анализа в ОЭТ. Аттестация позволяет перейти к эксплуатационному энерго сбережению (ЭЭ) - прогрессивной стратегии эксплуатации и технического об служивания ОУ по состоянию ИИ, открывающей возможность прогнозировать их работоспособность и исключить энергетические и материальные потери, вы званные использованием источников с недопустимыми значениями параметров.

Главное же состоит в том, что именно аттестация позволяет организовать эф фективную эксплуатацию новых поколений ИИ, имеющих повышенную чув ствительность к отклонениям от расчетных режимов использования, часто воз никающих в реальных условиях сельскохозяйственного производства.

Применение современных ИИ повышен ных единичных мощностей, формирующих радиационный режим на значительной площади культивационного сооружения, налагает достаточно жесткие требования на качество и стабильность параметров. Пред ложена следующая модель оценки эксплуа тационных воздействий на ИИ (рис.20). В процессе всех фаз существования (транс портирования, хранения, подготовки и ис пользования по назначению, технического обслуживания) ИИ испытывают эксплуата Рис.20. Модель оценки воздействий ционные воздействия различной природы. В и остаточного ресурса ИИ качестве обобщенной характеристики ИИ предложено принять величину ресурса R, характеризующего способность их обеспечивать заданные параметры радиационного режима при условии допус тимой энергоэффективности. Базовый ресурс Rб источников определяется при условии номинальных значений эксплуатационных воздействий. Для каждой из фаз существования ИИ такие значения задаются соответствующими норматив ными документами—правилами транспортирования, хранения, эксплуатации и т. п. Отклонения величин эксплуатационных воздействий от номинальных зна чений могут быть охарактеризованы вектором эксплуатационных воздействий F и зависимым от него снижением базового ресурса источников R.

При этом изменяются и значения отдельных параметров ИИ, характери зуемые вектором X. При совокупном воздействии нескольких факторов расход базового ресурса есть функция от интенсивности и продолжительности экс плуатационных воздействий, т.е.

R ' = G ( F ( g 1,..g i,...g n )) (22) где g i —эффект, производимый i -м фактором на снижение базового ресурса ИИ.

На основании предложенной модели как составляющей системы аттестации ИИ могут быть поставлены следующие задачи.

Требования к техническим средствам аттестации ИИ должны учитывать адекватный выбор параметров, подлежащих регистрации для формирования вектора измерения X, и условия обеспечения минимальных погрешностей.

Задачей тестирования ИИ является нахождение вектора измерений X с до пустимой погрешностью X, значение которого зависит как от технологиче ского разброса параметров, так и вида функции f ( X, F ).

Методика принятия решения о состоянии ИИ может быть разработана после нахождения однозначного соответствия между векторами X и F. Повышение достоверности решения возможно с помощью метода экспертных оценок.

Задачей прогноза является определение остаточного ресурса Rост = Rб R с условием нахождения параметров ИИ в границах предельны ' допустимых значений.

Задачей методического обеспечения системы аттестации является определе ние указанных выше зависимостей и детализации предложенной модели до уровня программной реализации.

Применение описанного подхода к обоснованию системы ЭЭ в целом позво ляет оценить эффективность мероприятий по снижению отклонений величин эксплуатационных воздействий от номинальных значений и их влияние на рас ход базового ресурса источников с учетом допустимой энергоэффективности последних.

Для определения надежности ИИ и осуществления прогноза их работоспо собности по косвенным показателям, без проведения длительных текущих ис пытаний был выбран метод распознавания образов. Логическая схема аттеста ции ИИ на основе системы распознавания образов показана на рисунке 21.

За косвенные показатели при нимались величины, имеющие ве роятностную взаимосвязь с основ ными показателями надежности спектр излучения и поток ФАР источников, а так же их электри Рис.21. Логическая схема аттестации ИИ ческие характеристики - ток, на на основе системы распознавания образов пряжение, мощность. Программа ускоренного контроля ИИ включает в себя две основных части: предваритель ные испытания для разработки решающего правила и собственно ускоренные испытания на основе разработанного решающего правила.

Предварительные испытания проводятся на представительной выборке ламп в течение некоторого времени, достаточного для выявления отказов с регистра цией ряда косвенных показателей. Из имеющегося набора косвенных показате лей отбираются наиболее информативные. По результатам наблюдений над ними разрабатывается решающее правило и определяется оптимальное время для ускоренных испытаний. При ускоренных испытаниях для испытуемой пар тии ламп в течете найденного оптимального времени определяются косвенные показатели и с помощью решающего правила прогнозируются отказы ламп. Та ким образом, необходимость долговременных разрушающих испытаний для вновь предъявляемых образцов ламп отпадает.

Блок измерений при поддержке аппаратной части КТПС формирует вектор измерений X размерностью n. Блок выделения признаков на основании апри орной информации формирует вектор признаков Y с размерностью m n путем математических преобразований вектора измерений. Блок принятия решений, или классификатор, относит вектор признаков к иному из множеств предвари тельно определенных классов в соответствии с подходящим классификацион ным правилом.

В данной главе так же рассмотрены практические приемы обеспечения энер госбережения, разработанные на основе предлагаемого автором научно методического обеспечения энергосбережения и защищенные патентами на изобретение.

1. Для исключения дополнительных энергетических потерь в энергоустанов ках, связанных с несимметрией фаз, предложено устройство защиты трехфаз ных потребителей от несимметрии фазных токов. Устройство содержит преоб разователи ток-напряжение, формирователи импульсов, логические элементы и отличается повышенным быстродействием (А.с. СССР № 1653069).

2. Разработанный способ искусственного облучения растений в процессе их выращивания позволяет добиться снижения эксплуатационных расходов на об лучение, повышения эффективности использования и увеличения полезного срока службы применяемых источников ОИ. Способ основан на учете в про цессе эксплуатации ГЛ явления значительного изменения их спектральных па раметров. Способ ведут путем периодической оценки близости к нормативному спектральному распределению действительного состава потока излучения при меняемых ГЛ, оцениваемого по величине предложенного автором коэффициен та отклонения спектра. Из условия минимального значения найденного коэф фициента для конкретных источников группы ГЛ со спектральными парамет рами, наиболее близкими к нормативным для отдельных культур или текущих вегетационных фаз их развития. Далее облучение последних производят ГЛ из соответствующих групп (Пат. РФ № 2053644).

3. Разработан способ питания ГЛ при облучении растений, основанный на использовании явления зависимости спектрального состава излучения ламп от величины питающего напряжения и времени их наработки. До начала эксплуа тации по результатам ресурсных испытаний представительной выборки ГЛ данного типа определяют зависимость коэффициента отклонения спектрально го состава излучения от величины питающего напряжения для ламп с различ ным временем наработки. Алгоритм изменения питающего напряжения в про цессе эксплуатации формируют из условия достижения минимально возмож ных значений упомянутого коэффициента, обеспечивая тем самым наименьшие спектральные отклонения на любой момент времени. Происходящие при этом изменения интегральной облученности и равномерности светового поля ком пенсируют путем изменения высоты подвеса облучателя или коррекции его светораспределения (Пат. РФ № 2073317).

4 Способ определения наработки ГЛ и устройство для его осуществления предназначен для использования в процессе ресурсных испытаний ламп при их производстве и эксплуатации. Сущность способа заключается в построении по результатам предварительных испытаний представительной выборки ламп дан ного типа и для данных условий эксплуатации градуировочной кривой, пред ставляющей зависимость прогностического параметра от времени наработки.

При необходимости определения наработки какой-либо лампы данного типа, работающей в данных условиях эксплуатации, измеряют указанный параметр и по градуировочному графику определяют время наработки. (Пат. РФ № 2101719).

5. Способ упорядоченной компоновки источников ОИ системы облучения растений в процессе их выращивания основан на учете потери напряжения в протяженных электрических линиях. Способ осуществляется следующим обра зом. Полученную на основании светотехнического расчета нагрузку равномер но распределяют между фазами питающей сети и группами. Комплектование групп производят ИС с требуемыми в соответствии с назначением облучатель ной установки спектральными параметрами. По результатам тестирования ус танавливают наработку применяемых ИС. Исходя из известной зависимости спектрального состава излучения от величины питающего напряжения опреде ляют значение питающего напряжения, при котором спектральные отклонения минимальны. Определяют действительную величину напряжения у каждого облучателя по длине групповой линии и исходя из упомянутых условий облу чатели комплектуют ИС, обеспечивающими в совокупности нормативные спек тральные параметры радиационной среды в культивационном сооружении для растений выращиваемой культуры или текущей фазы их вегетации. Изобрете ние позволяет обеспечить поддержание нормируемых показателей радиацион ного режима теплиц на требуемом уровне (Пат. РФ № 2106778) 6. Способ эксплуатации ГЛ в теплице предусматривает проведение до нача ла эксплуатации ламп в теплице входного контроля для выявления внешних дефектов и соответствия их характеристик требуемым, выбраковку ламп с внешними дефектами и отклонениями при входном контроле, компоновку ос тавшихся ламп в группы для включения в ОбУ и использование их в течение периода, соответствующего циклу вегетации выращиваемых в теплице расте ний. При этом в процессе проверки ГЛ дополнительно определяют соответст вие их параметров по спектральному составу излучения номинальным значени ям этих параметров для выращиваемых в теплице растений, а компоновку групп в ОбУ осуществляют из ламп с одинаковыми параметрами по спектраль ному составу излучения. Осуществление входного контроля исключает воз можность эксплуатации в теплице ламп с параметрами, вышедшими за допус тимые пределы. Проведение текущего контроля вместе с мероприятиями по пе рекомпоновке ламп в группах продлевает срок службы, обеспечивает поддер жание в теплице параметров радиационного режима в теплице на заданном уровне, требуемом для растений выращиваемой культуры на текущей стадии их вегетационного развития (Пат. РФ №2115293) Результаты диссертационного исследования нашли применение в учебном процессе при подготовке инженеров-энергетиков сельскохозяйственного про изводства по дисциплине «Светотехника», читаемой автором с 1993 г.

В работе показано, что выбор оборудования по максимальной мощности следует рассматривать как одну из причин возрастания энергоемкости при пе ременных графиках нагрузки. Такое положение дел имеет далеко идущие след ствия. Так, формирование профессиональных навыков инженеров – энергети ков в выборе электрооборудования, как правило, производится без учета отме ченного обстоятельства. Именно поэтому в рыночном окружении ИБЭС выде лен рынок образовательных услуг, одной из важнейших задач которого являет ся формирование компетентности специалистов в области принятия энергосбе регающих проектных решений (ПЭПР-компетентности) при выборе техноло гий, технологического и энергетического оборудования. Рассмотрена система программ – виртуальных лабораторных работ, использование результатов дис сертационного исследования при организации семинарских занятий. Показана роль концепции энергосбережения как основы формирования структуры лек ционного курса, предложено считать ПЭПР-компетентность важнейшей со ставляющей подготовки инженера-энергетика сельскохозяйственного произ водства.