CC BY
45
УДК 68.85.31
Г.П. Ерошенко, С.М. Бакиров, С.С. Елисеев
ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ МАШИН
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. Н.И. ВАВИЛОВА», САРАТОВ, РОССИЯ
G.P Eroshenko, S.M. Bakirov, S.S. Eliseev ESTIMATION OF SOLAR BATTERY APPLICATION AS A SUPPLY POWER FOR MOBILE
AGRICULTURAL ELECTRIC MACHINES FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «SARATOV STATE AGRARIAN UNIVERSITY NAMED AFTER N. I. VAVILOV», SARATOV, RUSSIA
Геннадий Петрович Ерошенко
Gennadiy Petrovich Eroshenko доктор технических наук, профессор [email protected]
1 ^ Ъ
Сергей Мударисович Бакиров
Sergey Mudarisovich Bakirov кандидат технических наук, доцент [email protected]
Сергей Сергеевич Елисеев
Sergey Sergeevich Eliseev [email protected]
Аннотация. В работе ставится задача определения возможности использования солнечных батарей в качестве источников питания для подзарядки аккумуляторных батарей мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин. В введении приводится раскрытие научной задачи. Для решения задачи используются основные методы научного исследования: анализ, наблюдение и измерение. В результатах исследования приводится классификация мобильных электрифицированных машин. Описаны особенности эксплуатации источников питания мобильных электрифицированных машин. Приведены конструктивные особенности некоторых мобильных электрифицированных машин, широко используемых в сельскохозяйственном производстве, и их оборудование. Приведена таблица характеристик основных мобильных электрифицированных машин. Представлен график суточной зависимости энергии солнца для Саратовской области. Выделены особенности преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Приведен расчет результирующей электроэнергии, полученной от солнечного модуля с 1 квадратного метра монокристаллических батарей. Предложено использовать солнечные модули для подзарядки аккумуляторных батарей, применяемых в качестве основного источника питания электропривода доледевальных машин кругового действия. В выводах указаны положения данных исследований. Установлено, что солнечные батареи следует использовать для машин, эксплуатируемых на открытом воздухе; для подзарядки стандартной аккумуляторной батареи 12 В и 60 А*ч требуется порядка 1 квадратного метра монокристаллической батареи; режим разряда батареи при минимальных эксплуатационных затратах должен быть не более 24 часов в неделю дневной эксплуатации и не более 49 часов ночной
эксплуатации. Известные положения имеют ссылки на литературу.
Ключевые слова: солнечная батарея, аккумуляторная батарея, дождевальная машина, мобильная электрифицированная машина, солнечная энергия, электропривод, источник питания, секция, эксплуатация электрооборудования.
Abstract. The paper aims to determine the possibility of using solar batteries as power sources for recharging the batteries of mobile agricultural electrified machines. The introduction provides the disclosure of a scientific problem. To solve the problem the main methods of scientific research are used: analysis, observation and measurement.
The results of the study provides a classification of mobile electrified machines. The features of operation of power sources of mobile electrified machines are described. The design features of some mobile electrified machines widely used in agricultural production and their equipment are given. A table of characteristics of the main mobile electrified machines. A diagram of the daily dependence of the conversion of solar radiation into electrical energy are highlighted. The calculation of the resulting electricity received from the solar module with 1 square meter of single-crystal batteries. It has been proposed to use solar modules for recharging the batteries used as the main power source for the electric drive of the circular irrigation sprinklers. The findings indicate the provisions of these studies. It has been found that solar panels should be used for machines operated outdoors; recharging a standard 12 V and 60 A*h battery requires about 1 square meter of a single-crystal battery; the discharge mode of the battery at minimum operating costs should be no more than 24 hours a week of daily operation and no more than 49 hours of night operation. It is known that provisions have references to the literature.
Keywords: solar battery, battery, sprinkler, mobile electrified machine, solar energy, electric drive, power supply, section, electrical equipment operation.
Введение. В сельском хозяйстве идет рост в направлении повышения производительности труда мобильными электрифицированными машинами. Мобильными сельскохозяйственными электрифицированными машинами принято называть устройства, которые выполняют механическое движение в нескольких направлениях за счет преобразования электрической энергии. Как правило, источник электроэнергии установлен на конструкции машины или преобразуется посредством устройства передачи. Данные машины заменяют ручной труд и являются неотъемлемой частью технологического процесса на современных сель-
скохозяйственных предприятиях. Развитие мероприятий по повышению производительности мобильных электрифицированных машин увеличивает эффективность технологических процессов на предприятии.
Подведение питания к мобильным электрифицированным машинам осуществляется при помощи гибкого кабеля либо от автономного источника питания: аккумуляторная батарея (АКБ), переносной генератор. Использование системы питания на переменном токе подразумевает прокладку кабеля по всему маршруту движения машины. Для некоторых процессов прокладка кабеля затрудняется
Вестник Курганской ГСХА №1,2019 Технические науки \
из-за возможного изменения маршрута движения, технологических препятствий, трудности крепления и т. п.
Как показали исследования, аккумуляторное питание мобильных машин применяется в 60 % случаев. Особенность эксплуатации данных машин в том, что выдвигается ряд специальных требований к эксплуатации аккумуляторов. Емкость аккумулятора снижается в процессе эксплуатации. Чтобы максимально использовать его ресурс, необходимо непрерывно контролировать значения тока нагрузки и напряжения на выводах АКБ. Также обязательно требуется соблюдать определенные значения тока и напряжения заряда, например, 2,63 В для одной банки гелевого герметизированного аккумулятора. Причем в случае превышения допустимого значения начинается процесс разрушения внутренних компонентов аккумулятора и в дальнейшем выход из строя. В связи с этим в эксплуатацию мобильных электрифицированных машин включают разработку методов и приобретение устройств подзарядки АКБ. Частота подзарядки таких машин зависит от режимов работы АКБ.
Применение солнечных источников энергии в европейских странах развивается быстрыми темпами. В настоящее время в эксплуатацию повсеместно вводятся солнечные модули (комплект солнечной батареи, собранной в единую конструкцию) в качестве основных или дополнительных источников питания, используемых совместно с АКБ. В Российской Федерации инфраструктура рынка солнечных модулей только начинает развиваться.
Сельскохозяйственные предприятия постепенно внедряют в производство современное оборудование для энергосбережения, в том числе и солнечные батареи (СБ). Установка систем, основанных на преобразовании солнечной энергии, выполняется в качестве лабораторно-практи-ческих стендов. В эксплуатацию солнечные батареи вводятся вместе с централизованным питанием от сети или с мини-электростанцией.
Недоверчивое отношение к эксплуатации солнечных батарей как основного источника энергии связано с особенностями потребления: иногда возникают моменты, когда технологический процесс нельзя оставить без электроснабжения. Однако, рассматривая вспомогательные процессы, например, функцию мобильных электрифицированных машин, остановка которых не приводит к значительным ущербам производства, применение солнечных батарей можно рассматривать в виде основных источников энергии. В литературе [1] описаны результаты изучения применения солнечных батарей, однако, несмотря на ширину и глубину исследований, нет данных использования СБ в качестве основных источников энергии.
Поэтому целью данной работы является оценка возможности применения солнечных батарей в качестве основных источников энергии мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин.
Методика. Для достижения поставленной цели были использованы методы научного познания: наблюдение, измерение, анализ. Так, необходимо выполнить наблюдение солнечной инсоляции в Саратовской области, измерить величину солнечной энергии и провести анализ полученных результатов.
Результаты. Проведем анализ существующих мобильных электрифицированных машин. Их подразделяют на следующие основные группы, обладающие сходными характеристиками и режимами работы.
Рассмотрим некоторые мобильные электрифицированные машины, которые широко распространены в сельскохозяйственном производстве. Источником питания данных машин являются АКБ.
МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ МАШИНЫ —
МАШИНЫ ДЛЯ РАСТЕНИЕВОДСТВА В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ МАШИНЫ ДЛЯ РАСТЕНИЕВОДСТВА НА ОТКРЫТОМ ВОЗДУХЕ МАШИНЫ ДЛЯ ЖИВОТНОВОДСТВА
- подметальные машины;
- транспортировочные машины;
- рельсовые машины
- дождевальные машины;
- пресс-подборщики
- подталкиватели кормов
Рисунок 1 - Группы мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машин
На рисунке 2 представлен транспортный электрифицированный агрегат [2], который предназначен для транспортировки груза в теплице. Параметры данного агрегата приведены в таблице.
Площадь поверхности агрегата соответствует стандартным параметрам поддона, а система безопасности агрегата исключает столкновения и опрокидывание груза. Основным оборудованием агрегата является электродвигатель постоянного тока мощностью 350 Вт, который питается от двух АКБ 12 В 60 А*ч.
Рисунок 2 - Внешний вид транспортного электрифицированного радиоуправляемого агрегата
На рисунке 3 представлена рельсовая электрифицированная машина, предназначенная для сбора урожая и обработки растений в теплицах закрытого грунта. Система питания рельсовой машины состоит также из двух аккумуляторных батарей.
В систему питания электроприводов данных мобильных машин возможно внедрение солнечных модулей для подзарядки АКБ. Однако практическое применение внедрения солнечных модулей не является эффективным из-за конструктивных особенностей исполнения мобильных электрифицированных машин и отсутствия прямых солнечных лучей, поскольку данные машины эксплуатируются в закрытых помещениях.
В сельскохозяйственном производстве существуют мобильные электрифицированные машины, которые эксплуатируются на открытом воздухе под действием прямых солнечных лучей. К ним относятся дождевальные машины.
Рассмотрим дождевальную машину кругового дей-
шегося технологического процесса и значительных потерь энергии, необходимо провести оценку возможности применения солнечных модулей для подзарядки источников питания на АКБ.
Таблица - Характеристики мобильных
электрис эицированных машин
Название Масса, кг Габариты, мм Мощность, Вт Производительность
Дождевальная машина электрифицированная круговая «КУБАНЬ-ЛКШ» (КАСКАД) 10 секций 19140 435000х 7100х х6750 6800 3,5 га/ч
Транспортный электрифицированный радиоуправляемый агрегат (ТЭРА) 80 1220х 1020 350 15 т/ч
Рельсовая электрифицированная машина (РЭМ) 120 1180х 570х 3000 250 500 кг/ч
Вместе с этим выдвигается ряд требований к их применению. Например, солнечные модули можно использовать для заряда аккумуляторных батарей в дождевальных машинах кругового действия, если:
- установка модулей не нарушит конструкцию дождевальной машины;
-установка модулей не нарушит технологический процесс дождевания;
- мощность солнечных модулей достаточна для подзарядки аккумуляторных батарей.
На первом этапе определения практической возможности применения солнечных модулей необходимо оценить количество энергии, которое можно получить от солнца.
Рассмотрим активность солнечного излучения для территорий Саратовской области в летний период (май-август) в среднем за сутки (рисунок 5), измерение которого проводилось измерителем солнечной энергии ЭМ206 [4].
Отображаемые данные солнечной энергии соответствуют ясным дням. В южных регионах Саратовской области (Новоузенский район), когда солнце находится в зените, максимальное количество солнечной энергии достигает значения 742 Вт/м2. Интенсивная отдача солнечной энергии в ясную погоду достигается в промежутке времени от 10 до 17 часов дня. Тогда в среднем за этот промежуток времени достигается отдача около 672 Вт*ч/м2, а за сутки - 203 Вт*ч/м2.
У\/, Вт/м' 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2
Рисунок 5 -
Необходимо отметить, что представленное количество
ствия МДЭК «Кубань-ЛК1М» (Каскад) (рисунок 4) [3].
Рисунок 3 - Внешний вид рельсовой электрифицированной машины
Дождевальная машина состоит из секций, которые передвигаются при помощи электропривода, установленного на опорных тележках. Движение по кругу осуществляется благодаря системе синхронизации движения. Данные машины располагаются на открытом воздухе, под действием прямых солнечных лучей без затенений.
Анализ данных мобильных сельскохозяйственных агрегатов показал, что применение солнечных модулей для подзарядки АКБ возможно в тех случаях, когда машина эксплуатируется под действием прямых солнечных лучей. А для крупногабаритных машин, таких как дождевальная машина, где подведение питания затруднено из-за устояв-
Дождевальная машина "Л электрифицированная круговая •КУБАНЬ-ЛКШ» (КАСКАД)
Рисунок 4 - Внешний вид макета дождевальной машины
8 20 22 24 С' I 1,ч
Количество солнечной энергии в районах Саратовской области
Южные районы Саратовской области
г. Саратов г. Энгельс
Северные районы
Вестник Курганской ГСХА №1,2019 Технические науки 73
энергии измеряется в абсолютных единицах излучения по теории Планка [5], где энергия зависит от средней длины волны излучения, температуры, частоты излучения. Преобразование солнечной энергии в электрическую энергию проходит через составляющие потерь. Тогда зависимость преобразования энергий с 1 м2 имеет вид
\Л/Э= кПМ • кПС • ку • Щ (1)
где \Л/Э - количество электроэнергии, Вт*ч;
кПМ - коэффициент потерь преобразования энергии внутри солнечного модуля (зависит от развития разработанных материалов - солнечных элементов), для монокристаллических кПМ = 0,28;
кПС - коэффициент, учитывающий потери энергии в установке и схемах соединения солнечного модуля кПС = 0,9;
ку - коэффициент, учитывающий потери энергии от угла наклона модуля к солнечным лучам (90о - соответствует ку = 1,0; 70о - ку = 0,76).
С учетом выражения (1) определим максимальное количество электроэнергии, получаемое от солнца с 1 м2 модуля, расположенного перпендикулярно солнечным лучам
\Л/Э = 0,252 • Ш (2)
За световой день в диапазоне от 10 до 17 часов Щ =169 Вт*ч;
за сутки
Щ = 51 Вт*ч;
Зарядка аккумуляторной батареи проходит в несколько этапов, которые описаны в различных литературных источниках [6]. Самым энергоемким этапом является первый, который соответствует режиму заряда по току, равному
где САКБ - емкость аккумуляторной батареи, А*ч.
Тогда в самый энергоемкий этап зарядки аккумуляторной батареи 12 В емкостью 60 А*ч требуется порядка 95 Вт*ч.
На рисунке 6 показан макет секции с креплением солнечной батареи.
Рисунок 6 - Макет секции дождевальной машины кругового действия с креплением солнечных батарей
Расположить солнечные модули возможно на водораспределительном трубопроводе с помощью специальных кронштейнов. Вес солнечных модулей вместе с кронштейнами можно считать незначительным по сравнению с весом трубопровода [1]. Попадание воды на поверхность модулей исключается за счет конструктивных особенностей дожде-образующих устройств с гибким трубопроводами, на концах которых закреплены дефлекторные насадки (рисунок 4).
Выводы. Таким образом, с учетом полученных данных установлено:
- солнечные батареи можно использовать для подзарядки аккумуляторных батарей в мобильных сельскохозяйственных электрифицированных машинах, эксплуатируемых на открытом воздухе только в летний период, а именно, в дождевальных машинах;
- для подзарядки стандартной АКБ (12 В, 60 А*ч) требуется порядка 1 м2 монокристаллической батареи для территорий, близких к городу Саратову;
- при минимальных затратах на обеспечение энергией подзарядки АКБ режим работы дождевальной машины должен составлять не более 24 часов в неделю при дневной эксплуатации и не более 49 часов - при ночной эксплуатации.
Список литературы
1 Оценка энергии солнечного излучения. [Электронный ресурс]. URL: http://vvvvw.solarhome.ru/basics/pv/techirrad. htm (дата обращения: 24.02.2019).
2 Бакиров С.М. Значение разработки подъемно-транспортного электрифицированного агрегата для теплиц закрытого грунта / С.С. Елисеев // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы VII международной научно-практической конференции. Саратов: ООО «ЦеСАин», 2016. С. 35-36.
3 Фокин Б.П. Современные проблемы применения многоопорных дождевальных машин / А.К. Носов. Ставрополь: Научное издание, 2011. С. 80.
4 Лукутин В.Б. Децентрализованные системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями: учебное пособие / И.О. Муравлев, И.А. Плотников. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2015. 100 с.
5 Бутиков Е.И. Физика: учеб. Пособие. В 3 кн. Строение и свойства вещества / А.С. Кондратьев, В.М. Уздин. Кн. 3. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 336 с.
6 Хрустапев ДА Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003. 224 с.
List of references
1 Estimation of solar radiation energy. [Electronic resource], URL: http://www.solarhome.ru/basics/pv/techirrad.htm (Record Date: 02/24/2019).
2 Bakirov S.M. The value of a lifting-transport electrified unit development for greenhouses of greenhouse / S.S. Eliseev // Actual problems of the energy sector of the agroindustrial complex: materials of the VII international scientific-practical conference. Saratov: TseSain LLC, 2016. Pp. 35-36.
3 Fokin B.P Modern problems of using multi-support sprinkler machines / A.K. Nosov. Stavropol: Scientific Edition, 2011. p. 80.
4 Lukutin V.B. Decentralized power supply systems with the wind and solar power plants: a tutorial / I.O. Muravlev, I.A. Plotnikov. Tomsk: Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2015. 100 p.
5 Butikov E.I. Physics: instructional medium. In 3 books Structure and properties of matter/A.S. Kondratyev, V.M. Uz-din. Book 3. M .: PHISMATLIT, 2010. 336 p.
6 Khrustalev D.A. Batteries. M.: Izumrud, 2003. 224 p.
