CC BY
10
sel'skokhozyaistvennykh predpriyatii
[Optimisation of power supply schemes of modern agricultural enterprises]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva
produktsii rastenievodstva i
zhivotnovodstva. 2018. No. 1 (94): 6371 (In Russian)
8. Sudachenko V.N., Erk A.F., Timofeev E.V., Vybor varianta energosnabzheniya ob"ektov sel'khozproizvodstva po ekonomicheskim kriteriyam [Selection of power supply options for agricultural production facilities by economic criteria]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva
mekhanizirovannogo proizvodstva
produktsii rastenievodstva i
zhivotnovodstva. 2017. No. 92: 43-48 (In Russian)
9. Erk A.F., Sudachenko V.N, Timofeev E.V., Razmuk V.A. Metody povysheniya effektivnosti ispol'zovaniya elektricheskoi energii v zhivotnovodstve [Methods to increase the efficiency of electric energy use in livestock farming]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 89: 23-32 (In Russian)
УДК 631.371:621.311.004.18 Б01 10.24411/0131-5226-2020-10264
АНАЛИЗ РЕЗЕРВОВ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ПИТАНИЯ
1 3
Е.Н. Ракутько ; К.В. Иванников
2
А.Н. Васькин ;
1Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
2Брянский государственный аграрный университет, Брянск, Россия
ФГУП «Атомфлот»
Важнейшей проблемой в АПК является проблема энергосбережения. Повышение энергетической эффективности оптических электротехнологий - технологических процессов, в которых оптическое излучение используется как специфический энергетический фактор, по сравнению с другими технологиями представляется для сельскохозяйственного производства наиболее наукоемкой задачей. В работе рассмотрено применение прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах для анализа резервов энергосбережения в
сельскохозяйственных облучательных установках при стабилизации электрического питания. Исследована работа инфракрасной лампы ЗК 220-230-150-1 при ее эксплуатации в условиях отклонений напряжения питающей сети. Для стабилизации условий питания использован регулятор светового потока серии ILUEST (Испания). Регулятор выполняет одновременно обе функции - стабилизацию условий питания и регулирование величины питающего напряжения. Представлены аналитические выражения, описывающие зависимость параметров лампы от величины питающего напряжения в виде эмпирических формул. Для принятого характера отклонения напряжения найдено, что эксплуатация лампы в таких условиях приводит к тому, что срок службы снижается на 45,8%, количество генерируемого потока от лампы уменьшается на 55,8%, стоимость единицы генерируемого потока излучения увеличивается в 7 раз. Эти величины следует интерпретировать как резерв энергосбережения при стабилизации условий электрического питания. Также в условиях нестабильности напряжения найдено значение коэффициента перерасхода источников света 0,542 - почти в два раза меньше по сравнению с эксплуатацией на стабилизированном напряжении. Эта величина показывает возможности ресурсосбережения при стабилизации условий электрического питания.
Ключевые слова: энергосбережение, оптическая электротехнология, источник света, стабилизация
Для цитирования: Ракутько Е.Н., Васькин А.Н., Иванников К.В. Анализ резервов энергосбережения в сельскохозяйственных облучательных установках при стабилизации электрического питания //АгроЭкоИнженерия. 2020. № 4 (105). С. 19-30
ANALYSIS OF ENERGY SAVING RESERVES IN AGRICULTURAL IRRADIATION UNITS IN CASE THE ELECTRIC POWER SUPPLY IS STABILISED
E.N. Rakutko1; K.V.Ivannikov3
A.N. Vaskin2;
institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) -branch of FSBSI FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Bryansk State Agrarian University, Bryansk, Russia
о
3Atomflot
Energy saving is one of the most important problembi in the agro-industrial complex. Increasing the energy efficiency of optical electrical technologies, that is the technological processes, where the optical radiation is used as a specific energy factor, in comparison with other technologies, seems to be the most science-intensive task for agricultural production. The paper considers the use of the applied theory of energy conservation in energy technological processes for the analysis of energy saving reserves in agricultural irradiation
units in the case of stabilised electrical power supply. The operation of the infrared lamp ZK 220-230-150-1 was investigated under the conditions of the supply voltage deviations. To stabilize the power supply, a luminous flux regulator of ILUEST series (Spain) was installed. The regulator performed both functions simultaneously - it stabilised the power supply and adjusted the supply voltage. The paper presents analytical expressions that describe the dependence of the lamp parameters on the supply voltage in the form of empirical formulas. For the set nature of the voltage deviation, it was found that the lamp operation under such conditions resulted in 45.8% shorter service life, 55.8% lower amount of generated flux, and 7-fold higher cost of the unit of generated radiation flux. These values should be interpreted as an energy saving reserve in the case the electric power supply is stabilized. Also, under conditions of voltage instability, the value of the overrun factor of light sources was found to be 0.542 that is almost two times smaller compared to operation under a stabilized voltage. This value also shows the possibility of resource saving when stabilizing the electric power supply.
Keywords: energy saving, optical electrical technology, light source, stabilization
For citation: Rakutko E.N. Vaskin A.N., Ivannikov K.V. Analysis of energy-saving reserves in agricultural irradiation units in case the electric power supply is stabilised. AgroEcoEngineering. 2020. No. 4 (105): 19-30 (In Russian)
Введение.
Энергосбережение - есть важнейшая проблема в отраслевой энергетике агропромышленного комплекса. Отсюда следует, что повышение энергетической эффективности оптических
электротехнологий - технологических процессов, в которых оптическое излучение (ОИ) используется как наиболее важный специфический фактор, в сравнении с другими технологиями, является для сельскохозяйственного производства востребованной и актуальной задачей.
Для повышения общей
эффективности применения энергии в настоящее время востребованным является подход, при котором в области энергосбережения рассматривают потери движения потока энергии через все этапы ее преобразования.
При таком подходе раскрывается в прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК [1]. С помощью данной теории возможны проектирование и оценка эффективности отдельных энергосберегающих
мероприятий, обоснование режима проведения процессов, формирование энергосберегающего алгоритма
управления [2].
Именно в сельском хозяйстве очевидна низкая эффективность использования энергетических ресурсов, что представляет широкие возможности для усовершенствования технологических процессов.
В связи с особенностями действия энергии оптического излучения на живой организм, альтернативы его применению в сельском хозяйстве нет [3]. При содержании животных в закрытых помещениях они практически лишены
активной области ультрафиолетового излучения (УФ) [4]. Дополнительное УФ облучение крупного рогатого скота улучшает его иммунобиологические свойства, повышает надои молока на 5...13%, привесы молодняка на 7...13%, излечивает рахит и грибковые заболевания животных. Конечным итогом воздействия ультрафиолетового
излучения является улучшение клинического состояния и резистентности сельскохозяйственных животных и птиц, повышение их сохранности и продуктивности.
Инфракрасное (ИК) излучение (диапазон спектра > 780 нм) так же оказывает влияние на организм животного. Действуя на нервную систему организма через тепловые рецепторы кожи, излучение улучшает функции желез, кроветворных органов и кровоснабжение тканей тела, усиливает биологические процессы в их организме, способствует повышению тонуса и резистентности, а следовательно, улучшению состояния, развития, прироста и сохранности животных.
Весьма перспективно совместное использование ИК и УФ излучений. По исследованиям ВИЭСХа (Д. Н.
Быстрицкий, А. К. Лямцов и др.), совместное применение излучений увеличивает массу поросят при отъеме на 13%, что в 3 раза превосходит эффект применения ИК и в 1,8 раза—УФ облучений при их раздельном использовании [5].
Бесспорна роль излучения видимого диапазона (380 ...760 нм), которое используется для создания нормируемых условий световой среды в животноводческих помещениях и в тепличных облучательных установках [6]. Применение различных режимов
регулирования оказывает большое влияние на продуктивность живых организмов, что особенно характерно для птицеводства. Меняя длину волны, можно возбуждать и фотохимически
модифицировать различные биомолекулы. На этом основана избирательность действия излучения- важнейшая черта фотобиологии.
Итак, в дальнейшем будущем у использования ОИ в сельском хозяйстве есть широкие перспективы, в связи с этим решение вопросов энерго- и ресурсосбережения в установках ОИ имеют первоочередное значение [7].
Цель - проанализировать резервы энергосбережения в облучательных установках.
Материалы и методы.
Рынок электрооборудования
предоставляет большие возможности к выбору устройств для стабилизации и регулирования питающего источники света напряжения.
Например, стабилизаторы-регуляторы , выпускаемые компанией Salicru серии ILUEST являются новым поколением устройств, обеспечивающих как стабилизацию питающего напряжения, так и его регулирование. В устройстве применены новые технологии,
обеспечивающие преимущества данных устройств над традиционными. За счет исключения перепадов напряжения существенно продляется срок службы источников света.
Основой устройства является автотрансформатор с коммутируемыми обмотками, которая производится с помощью ключей, управляемой от полупроводниковой схемы. В любой момент времени к выходу подключен только тот вывод обмотки
автотрансформатора, с которого происходит питание источников света.
При необходимости в схеме используется бустерный трансформатор для сглаживания колебаний сетевого напряжения.
Регулирование выходных параметров производится в зависимости от ряда условий: подаваемого напряжения, частоты и т.д. с помощью микроконтроллера, расположенного в схеме управления. Так же микроконтроллер управляет байпасом и обеспечивает связь с внешними устройствами по интерфейсу RS-485 [8].
Зависимость параметров ИС от величины питающего напряжения выражали эмпирической формулой
Х ф = Ух
X.. и
(1)
где ф - фактическое значение параметра
X при напряжении питания
U.
Ух - значение показателя для данного параметра X.
Отклонения величин от их номинальных значений удобно характеризовать соответствующими коэффициентами отклонения
К = X
(2)
При этом напряжение характеризуют относительной величиной
ku = и[
Тогда
kX - kujX
(3)
(4)
ф.
В таблице 1 представлены значения
показателей для различных
параметров ламп накаливания (ЛН)
номинальное значение параметра
и„
X при напряжении питания н;
Таблица 1
Значения показателей для различных параметров ЛН
Параметр Обозначение kx Обозначение Jx Значение Jx , отн.ед.
1. Ток kl Ji 0,6
2. Мощность kP Jp 1,6
3. Температура нити накала ko Je 0,33
4. Световой поток k ф Чф 3,6
5. Световой КПД К Jn 2
6. Срок службы krj. Jt -14
Для выявления резервов
энергоресурсосбережения интерес представляют зависимости срока службы и мощности ЛН от напряжения питания.
Количество энергии кВтч,
потребляемой за срок службы ламп в номинальном режиме
Q - Р ■ T
н н
(5)
Р
где н - номинальная мощность ламп, кВт;
Т
н - номинальный срок службы ламп, ч.
На рисунке 1 показана зависимость коэффициентов отклонения параметров ЛН от величины напряжения питания в относительных единицах [9]
к, отн. ед
2,00
1,50
1.00
0.50
0.00
\ кт
\ ГЧ _____а..—-
\
0,95
1,00
1,05 1,10
1.15
, шн. ОД
Рис. 1. Зависимости коэффициентов отклонения параметров ЛН от величины напряжения питания в относительных единицах
Затраты на электроэнергию С н, руб
С = ^ ■ Qh
где э - тариф на электроэнергию, руб/(кВтч).
Количество потокаНн, лмч,, который генерируется за срок службы ламп
H н = Фн ■ Тн
Ф,
(7)
где н - номинальный поток ламп, лм. Стоимость единицы потока излучения
С
, руб/(лмч)
с - С-
С,„ Нн
(8)
Пусть условия эксплуатации лампы
задаются гистограммой отклонений р.
напряжения , характеризующей вероятность попадания величины напряжения в соответствующий
" кп
интервал напряжений и.
Коэффициент отклонения мощности кр , отн.ед.
k р -Ё pkUp i-i
(9)
где п - количество интервалов, на
которые разбита гистограмма.
р
Тогда фактическая мощность ф, кВт
Рф - Рн ■ kp
(10)
Коэффициент отклонения срока
кт
службы Т, отн.ед.
n
kT - ЁPikL
Лт
(6)
i-i
(11)
Фактический срок службы
Тф - Тн * kT
(12)
Коэффициент отклонения
потребляемой энергии
kQ - ^PikUJPikUJTi
i-1
Фактически
(13)
потребляемая
Qф
облучательной установкой энергия кВтч
Оф - Он ■ к<2 . (14)
Затраты на фактически
С
потребляемую электроэнергию ф, руб
сф = сэ • 0ф (15)
Коэффициент отклонения
сгенерированного потока за срок службы лампы
n
kH мида
i-1
(16)
Количество сгенерированного
ил
потока за срок службы лампы ф, лмч
Hф - H и - кн
(17)
Фактическая стоимость единицы
С
потока излучения 1ф , руб/(лм ч)
С
С1Ф -
'ф
H
Ф
(18)
Коэффициент изменения стоимости единицы потока излучения
к с -
С
1ф
С
1 и
(19)
N
Необходимое количество ИС ф может быть определено исходя из того, что количество ламп обратно пропорционально их сроку службы, т.е.
Т N
Nф - NH -
ф н Т к Тф кт
(20)
где ^н - номинальное количество ИС.
Коэффициент перерасхода ИС (из расчета на 1 шт )
kN - '
N - N
'ф
N
н -1 — кт
(21)
Результаты и обсуждение
Численный расчет резервов энергоресурсосбережения в
инфракрасной облучательной установке произведен для лампы ЗК 220-230-150-1. Лампа эксплуатировалась в условиях электрического питания, при которой имеют место отклонения напряжения (как показано на гистограмме рис. 2).
Количество энергии, потребляемой за срок службы лампы в номинальном режиме
Он - 0,15 -1500 - 225 кВтч.
с
При тарифе э =1 руб/(кВтч) затраты на электроэнергию
С -1-225 - 225
руб.
Количество сгенерированного потока за срок службы лампы
H -1500 -1500 - 2250000 л . н лмч.
Стоимость единицы потока излучения 225
Сн - „ - 0,0001
руб/(лмч).
2250000
Р. отн. сд.
///// щ
■УЛТ^,
77ТТТГ?
/УУУУ/ W// у//////
ТУ//// тШ, 'уууУ/
1,025 1,0375 1,05 1,0625 1,075 к
Рис. 2. Гистограмма отклонений напряжения
Коэффициент отклонения мощности в условиях заданных отклонений напряжения
n
kp- X Piki
Jp u
i-1
=1,095 отн.ед. Фактическая мощность
P - P - kp - 0,15-1,095 - 0,164 ф н P кВт.
Коэффициент отклонения срока службы
AI
k-- X м
Jt U
i-1
=0,458 отн.ед. Фактический срок службы
- - - - v - 1500 - 0,458 - 688
ф н Т ч
Коэффициент отклонения
потребляемой энергии
kQ -XpkU\kU\ - 0,5
i-1
отн.ед.
Фактически потребляемая
облучательной установкой энергия
Qф - QH - Vq - 225 - 0,5 - 112,5
Втч.
Затраты на фактически
потребляемую электроэнергию
Сф - сэ - Qф -1-112,5 -112,5
руб.
Коэффициент отклонения
сгенерированного потока за срок службы лампы
kH - XPkU^kU]
i-1 отн.ед.
=0,558
Количество сгенерированного
потока за срок службы лампы
H - H - К - 2250000 - 0,558 - 1256850 лмч.
Фактическая стоимость единицы потока излучения
- С± - 112,5 - 0,0007 1ф Яф 1256850
руб/лм.ч.
Коэффициент изменения стоимости единицы потока излучения
_ С1ф _ 0,0007
к^ - -
С С1н 0,0001
- 7
Таким образом, эксплуатация лампы в условиях заданного отклонения
напряжения приводит к тому, что срок службы снижается на 45,8%, количество генерируемого потока от лампы уменьшается на 55,8%, стоимость единицы генерируемого потока излучения увеличивается в 7 раз.
Эти величины следует
интерпретировать как резерв
энергосбережения при стабилизации условий электрического питания.
Коэффициент перерасхода ИС (из расчета на 1 шт )
kN - '
Nф - NH
N
- i - 0,458 - 0,542
ф
Эта величина показывает возможности ресурсосбережения при стабилизации условий электрического питания.
Заключение
Применение в отраслях
агропромышленного комплекса
оптических электротехнологий
позволяет повысить эффективность технологических процессов. В оптических электротехнологиях
существенные энергетические потери объясняют низкую эффективность использования энергии и высокую энергоемкость, что по существу является важной научной проблемой, требующей новых решений [10].
В последнее время в результате технического прогресса и достижений науки, стали более доступными и широко применяемыми
высокоэффективные источники света для различного назначения в сельском хозяйстве. Активно стимулируется поиск новых решений,
усовершенствование конструкций
существующих установок из
экономических соображений.
Требования охраны окружающей среды, экологическая безопасность стали дополнительным стимулом для поиска новых решений, которые позволили бы без ущерба для эксплуатационных и светотехнических показателей улучшить и оптимально эксплуатировать источники оптического излучения. Численный расчет, проведенный по предложенной методике
свидетельствует, что стабилизация электрического питания источников света является действенным средством энергоресурсосбережения.
При питании ламп
стабилизированным напряжением
увеличивается срок их службы. Так же происходит снижение количества потребляемой энергии за счет поддержания напряжения на
номинальном уровне при его повышении в сети. Кроме того, повышается качество освещения при регулировании напряжения питания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в
энерготехнологических процессах
(ПТЭЭТП): опыт систематического изложения. Известия Санкт-
Петербургского государственного
аграрного университета. 2009. № 12. С. 133-137.
2. Карпов В.Н., Ракутько С.А. Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК. Прикладная теория и частные методики. Спб.: СПбГАУ. 2010. 100 c.
3. Коваленко, О.Ю. Облучение сельскохозяйственных животных для повышения их продуктивности. Светотехника. 2004. №5. С.18-21.
4. Коваленко, О.Ю. Основные требования и необходимые параметры для проектирования облучательных установок // Энергоресурсосберегающие технологии и системы в АПК. Межвуз. сб. науч. трудов: Саранск, 2003. С. 64-67.
5. Жилинский, Ю.М. Электрическое освещение и облучение. М.: Колос, 1982.-с.220.
6. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Энергоэкология светокультуры - новое междисциплинарное научное направление // Технологии и технические средства механизированного производства
продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 90. С. 14-28.
7. Липатов, А.А. Энергосбережение как фактор повышения эффективности сельскохозяйственного производства // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2004. №5. С.98-100.
8. Стабилизаторы-регуляторы светового потока ILUEST [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.3 ymf.ru/electro/salicru/ snrsp/iluest.php (дата обращения 21.12.2020)
9. Кунгс Я. А., Фаермарк М.А. Экономия электрической энергии в осветительных установках. М.: Энергоатомиздат. 1984 г. 160 с.
10. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: структура и основные положения. Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 4 (60). С. 65-67
1.Rakutko S.A. Prikladnaya teoriya energosberezheniya venergotekhnologicheskikh protsessakh (PTEETP): opyt sistematicheskogo izlozheniya [Applied Theory of Energy Saving in Energy Technological Processes (PTEETP): experience of systematic presentation]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2009.No. 12: 133-137 (In Russian)
2. Karpov V.N., Rakutko S.A. Energosberezhenie v opticheskikh elektrotekhnologiyakh APK. Prikladnaya teoriya i chastnye metodiki [Energy saving in optical electrical technologies of the agro-industrial complex. Applied theory and private methods. Saint Petersburg: SPGAU. 2010: 100 (InRussian)
3.Kovalenko, O.Yu. Obluchenie sel'skokhozyaistvennykh zhivotnykh dlya povysheniya ikh produktivnosti [Irradiation of farm animals to increase their productivity]. Svetotekhnika. 2004. No. 5:18-21 (In Russian)
4. Kovalenko, O.Yu. Osnovnye trebovaniya i neobkhodimye parametry dlya proektirovaniya obluchatel'nykh ustanovok [Basic requirements and necessary parameters for the design of irradiation facilities]. Energoresursosberegayushchie tekhnologii i sistemy v APK. Mezhvuz. sb. nauch. trudov: Saransk, 2003: 64-67 (In Russian)
5. Zhilinskii, Yu.M. Elektricheskoe osveshchenie i obluchenie [Electric lighting and irradiation]. Moscow: Kolos, 1982: 220 (In Russian)
6. Rakutko S.A., Markova A.E., Mishanov A.P., Rakut'ko E.N. Energoekologiya svetokul'tury - novoe mezhdistsiplinarnoe nauchnoe napravlenie [Energy and ecological efficiency of indoor plant lighting as a new interdisciplinary research area]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 90: 14-28 (In Russian)
7. Lipatov, A.A. Energosberezhenie kak faktor povysheniyaeffektivnostisel'skokhozyaistvenn ogo proizvodstva [Energy saving as a factor in increasing the efficiency of agricultural production]. Vestnik FGOU VPO MGAU. 2004. No. 5: 98-100 (In Russian)
8. Stabilizatory-regulyatory svetovogo potoka ILUEST [Luminous flux stabilizers and
adjusters]. Available at:
http://www.3ymf.ru/electro/salicru/snrsp/iluest .php (accessed 21.12.2020)
9. Kungs Ya. A., Faermark M.A. Ekonomiya elektricheskoi energii v osvetitel'nykh ustanovkakh [Saving electrical energy in lighting installations]. Moscow: Energoatomizdat. 1984: 160 (In Russian)
10. Rakutko S.A. Prikladnaya teoriya energosberezheniya v energotekhnologicheskikh protsessakh APK: struktura i osnovnye polozheniya [Applied theory of energy saving in energy-technological processes of AIC: structure and basic provisions]. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2009. No. 4 (60): 65-67 (In Russian)
