CC BY
33ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, SYSTEMS, MATERIALS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 16.01.13. Ред. рег. № 1515 The article has entered in publishing office 16.01.13. Ed. reg. No. 1515
УДК 631.371:621.311
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ В СЕЛЬСКОМ
ХОЗЯЙСТВЕ
Б.П. Коршунов
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. 8 (499)171-17-64, viesh@dol.ru
Заключение совета рецензентов 23.01.13 Заключение совета экспертов 30.01.13 Принято к публикации 06.02.13
В статье показаны перспективы создания и использования энергосберегающих электротехнологий в сельском хозяйстве.
Ключевые слова: оптическое излучение, электромагнитное поле, электрическое поле, электрические импульсы высокого напряжения, магнитное поле
PERSPECTIVES OF CREATION AND USE OF ENERGY-SAVING ELECTRIC
TECHNOLOGIES IN AGRICULTURE
B.P. Korshunov
All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-17-64; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Referred 23.01.13 Expertise 30.01.13 Accepted 06.02.13
Perspectives of creation and use of energy-saving electric technologies in agriculture are presented in the paper.
Keywords: optical radiation, electromagnetic field, electric field, high-voltage electric pulses, magnetic field.
Борис Петрович Коршунов
Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, заведующий отделом электротехнологий в сельском хозяйстве, кандидат технических наук
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергоснабжение, энергоэффективность, природный холод, энергия льда
Публикации: 97
В последние 20 лет снижение производства сельскохозяйственной продукции сопровождалось сокращением электро- и энергопотребления. Потребление электрической энергии в отраслях сельского хозяйства за этот период упало со 103 до 62,5 млрд. кВт.ч (2011 г.). Электровооруженность
труда в сельхозпроизводстве также сократилась с 8000 до 5450 кВт.ч./раб.
В то же время производство практически всех видов сельхозпродукции в России носит энергозатратный характер, и по сравнению с показателями передовых стран энергоемкость и электроемкость выше в 2...5 раз. При опережающем
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
росте тарифов и цен на электроэнергию, по сравнению с ценами сельхозпродукции, доля энергозатрат в ее себестоимости резко возросла с 3... 8% до 10.. .20%, а по некоторым видам до 30.. .50 % и более (теплицы, птицефабрики).
Так, например, прямые затраты электрической энергии составляют: на производство молока - 340 кВт.ч/т; говядины - 1700 кВт.ч/т; свинины - 2500 кВт.ч/т и яиц - 95 кВт.ч/1000 штук.
Для решения проблемы обеспечения продовольственной безопасности страны необходимо снижать импорт и увеличивать отечественное производство сельскохозяйственной продукции, что потребует дополнительных энергоресурсов. Анализ современного состояния сельхозпроизводства, перспектив развития всех его форм - коллективного, фермерского, личного подсобного (ЛПХ), расширения внедрения новых технологий первичной переработки
сельхозпродукции на местах, необходимость улучшения трудовых, социально-бытовых условий и повышения комфортности жизни сельского населения показывает, что энергопотребление возрастёт к 2020 г. на 20.25%.
С другой стороны, возрастающие тарифы на электроэнергию и недостаточно высокая эффективность её использования требуют принятия действенных мер по экономии энергии.
В связи со сложившейся ситуацией, в России была принята Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия. Одним из основных направлений реализации программы является модернизация АПК за счет применения энергосберегающих установок, отвечающих современному научно-техническому уровню, и проведение энергетической политики (Указ Президента РФ № 889 от 04.06.2000 г., Закон РФ № 261-ФЗ от 23.11.2009 г.), которая ставит задачу экономного использования электрической энергии в сельском хозяйстве и снижения энергетических затрат до 40 %.
Одной из действенных мер по экономии электроэнергии является широкое применение энергосберегающих электротехнологий в сельскохозяйственном производстве [1, 2].
Разработка и внедрение электротехнологий и создание на их основе новой техники для производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции - сложная научно-техническая проблема, требующая решения следующих взаимосвязанных фундаментальных и прикладных задач:
- обоснование экономически целесообразных областей использования электротехнологий;
- комплексное изучение электрофизических и теплофизических свойств сельскохозяйственных продуктов и сырья в зависимости от физиологических процессов и климатических
воздействий, а также установление взаимосвязи между ними;
- исследование процессов тепло- и массообмена при концентрированном электрофизическом воздействии на сельскохозяйственное сырьё и продукцию;
- разработка методик определения технологических режимов электрофизических воздействий на сельскохозяйственные материалы и пищевые продукты;
- разработка теоретических основ управления технологическими процессами и создание технических средств автоматизации.
Для широкого применения комбинированных энергосберегающих электротехнологий в технологических процессах с.х. производства необходимо также продолжить исследования:
- по определению оптимальной дозы электрофизического воздействия, конструкций технических средств, вопросов охраны труда и надежности работы установок, как в стационарных, так и в полевых условиях;
- по созданию и освоению новых энергоэкономных электротехнологий, основанных на реализации эффективных электротехнологических процессов, новых методов электрофизического воздействия на биообъекты;
- освоение автоматизированных технических средств для комплексной электромеханизации производства, обработки и хранения сельхозпродукции, внедрения АСУ ТП.
При обосновании перспективных направлений развития энергосберегающих электротехнологий в сельском хозяйстве необходимо также принять во внимание то, что в настоящее время отношение к количественным показателям электрификации -потреблению электроэнергии изменилось: если раньше показатели электрификации, ее успехи отождествлялись только с ростом объемов электропотребления, то сейчас основным показателем становится реальный производственный или социальный эффект, получаемый при потреблении каждого киловатт-часа.
Учитывая это, в предложениях по развитию энергосберегающих электротехнологий в сельском хозяйстве акцент, безусловно, должен быть смещен в сторону эффективности энергопотребления, рационального использования и экономии электроэнергии. Это, в первую очередь, разработка и внедрение в сельском хозяйстве энергосберегающих электротехнологий основанных на применении оптического излучения, электрического,
электромагнитного и магнитного полей, электрических импульсов и др.
Оптическое излучение
В сельском хозяйстве применяется весь спектр оптического излучения - видимый,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
ультрафиолетовый и инфракрасный. В зависимости от спектра излучения, установки или отдельные облучатели используют для выполнения различных технологических операций: освещения домов, животноводческих помещений, складов, различных мастерских и подсобных помещений; ультрафиолетового и ИК облучения животных; облучения растений в закрытом грунте; предпосевного облучения семян; уничтожения патогенной микрофлоры (обеззараживания воды, воздуха, сельхозпродуктов, тары и т. п.); обработки продуктов растениеводства и животноводства (пастеризация молока, соков и других жидкостей), сушки и дезинфекции продуктов; борьбы с летающими насекомыми-вредителями и др.
Перспективным направлением развития систем освещения является использование нового поколения источников света - светодиодов. Светодиоды отличаются малым
энергопотреблением, позволяют плавно
регулировать уровень освещенности, имеют улучшенную цветопередачу, не зависящую от уровня освещенности, и огромный срок службы (до 100 тыс. ч), при котором период замены ламп может составить до 400 месяцев.
Для освещения животноводческих и птицеводческих помещений в ГНУ ВИЭСХ разработано электрооборудование на основе светодиодных светильников.
Новая светодиодная система освещения птичника с размерами 8х70 м состоит из 44 ламп для рабочего освещения и 11 ламп для технологического прохода. Лампы состоят из пластикового корпуса, внутри которого установлено 12 светодиодов марки СЬР-6 мощностью 0,5 Вт; светодиоды обеспечивают равномерное освещение, у них полностью исключен стробоскопический эффект, при этом установленная мощность системы освещения снизилась с 980 до 370 Вт.
Для освещения телятников на 200 и 300 голов в ГНУ ВИЭСХ были изготовлены комплекты оборудования с применением светодиодов со светоотдачей 120 лм/Вт. Мощность светильников была равна 9 Вт. Потребляемая мощность системы освещения телятника на 200 голов составила 250 Вт, телятника на 300 голов - 360 Вт.
Расчеты экономической эффективности показали, что несмотря на высокие первоначальные затраты на установку нового оборудования, срок его окупаемости составляет не более 2 лет.
Для защищенного грунта в ГНУ ВИЭСХ разработан универсальный широкополосный светодиодный светильник, в котором используются источники света различного спектра, что обеспечивает его эффективное применение при выращивании растений.
Большое значение при производстве продукции высокого качества имеет и своевременная санитарная обработка с/х помещений.
Особенностью процесса обеззараживания воздуха в птицеводческих помещениях является необходимость проведения его в присутствии обслуживающего персонала и птицы. К дезинфицирующим средствам в этом случае предъявляются следующие основные требования: они обязаны обладать сильным бактерицидным действием; должны быть безвредны для людей и птицы даже при длительном использовании; не должны загрязнять окружающую среду, вызывать коррозию металла, выводить из строя оборудование; применение их должно быть рентабельно и технологично. Всем этим требованиям удовлетворяет способ электрофизического облучения воздуха коротковолновым УФ излучением.
Разработанные в ГНУ ВИЭСХ новые УФ установки имеют повышенную (до 95 Вт) мощность по сравнению со стандартными установками, собранными на УФ лампах низкого давления, при этом их эффективность в 3 раза выше по сравнению с бактерицидными озонообразующими лампами мощностью 36 Вт и в 15 раз по сравнению с установками на бактерицидных лампах мощностью 30 Вт. В результате, при эксплуатации новых облучающих установок достигается значительное энергосбережение.
УФ установки широко используются и в животноводстве. Коротковолновое ультрафиолетовое бактерицидное излучение в практике животноводства применяют для дезинфекции воздуха в родильных отделениях, профилакториях, молочных отделениях, пунктах искусственного осеменения, ветеринарных лечебницах, в складских помещениях и хранилищах, для дезинфекции воды, посуды, инвентаря, одежды и т.д.
В связи с многообразным воздействием на растительные клетки, УФ излучение получило практическое применение и в растениеводстве. Его применяют в селекционных целях и в предпосевной обработке семян. При непосредственном воздействии на растения, излучение может служить эффективным регулятором основных процессов в биообъекте. Проведенные исследования показали, что ультрафиолетовое облучение скоропортящихся продуктов увеличивает сроки их хранения. Имеются положительные результаты по разработке методов борьбы с вредителями с/х растений, а также денитратизации почвы посредством УФ излучения.
Большое значение в повышении эффективности технологических процессов производства, хранения и первичной обработки сельскохозяйственной продукции, рациональном использовании и экономии электроэнергии имеет разработка и применение энергосберегающих электротехнологий, основанных на применении инфракрасного излучения.
Проведенные учеными ВИЭСХ исследования в этой области позволили обосновать типоразмерный
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
ряд тонкослойных ИК-пастеризаторов,
отличающихся по производительности, при этом выбор был остановлен на разработке аппаратов:
- малой производительности 100.250 л/ч, предназначенных для индивидуальных и фермерских хозяйств;
- средней производительности 500.1000 л/ч, предназначенных для использования на фермах и на предприятиях по переработке сельхозпродукции;
- большой производительности до 3000.5000 л/ч, предназначенных для согласования с производственными линиями на предприятиях по переработке продукции животноводства и растениеводства.
Принцип работы аппарата основан на воздействии коротковолнового инфракрасного излучения на открытую поверхность непрерывного тонкослойного потока жидкости, специально сформированного и стекающего по относительно холодной внутренней поверхности цилиндра. Обработка продукта осуществляется с помощью ИК-излучателя, расположенного коаксиального с цилиндром камеры пастеризации.
Кратковременное бесконтактное воздействие ИК-излучения высокой плотности приводит к быстрому нагреванию слоя стекающей жидкости и создает условия для ликвидации микрофлоры и инактивации ферментов, что обеспечивает пастеризацию продуктов.
Изготовлены опытные образцы пастеризатора производительностью 1000 л/ч. Были получены сертификат соответствия и гигиенический сертификат.
В результате производственных испытаний была подтверждена высокая технологическая
эффективность тонкослойной ИК-обработки молока и соков. По качеству обработанное молоко и соки соответствовали необходимым требованиям и отличались высоким уровнем органолептических свойств. Отсутствие непосредственного контакта продукта с телом нагрева позволяет осуществлять пастеризацию при сохранении высоких питательных и вкусовых свойств продуктов, при этом значительно сокращаются энергозатраты на пастеризацию.
Инфракрасное излучение успешно используют и для локального обогрева молодняка сельскохозяйственных животных и птицы в первый период выращивания. Применение инфракрасного обогрева очень эффективно с точки зрения затрат на обогрев, т. е. позволяет создать комфортную локальную зону для молодняка.
Для этих целей сотрудниками ВИЭСХ разработаны облучающие установки ИКУФ-1 и ИКУФ-1М, обеспечивающие совместное ИК и УФ излучение и комплект светотехнического оборудования «Комфорт», предназначенный для ИК-обогрева, УФ-облучения и ионизации воздуха.
Электромагнитное поле
Использование энергии электромагнитного поля тока различной частоты (СВЧ, КВЧ, УВЧ-диапазона и лазерного излучения) существенно расширяет возможности электротехнологии. Этот вид энергии широко применяют в сельскохозяйственном производстве в качестве источника теплоты, идущей на обогрев, получение горячей воды и пара, сушку и электротермическую обработку материалов и пищевых продуктов, контроль количественных и качественных параметров продукции,
безмедикаментозное лечение животных, борьбу с сорняками, предпосевную обработку семян и др. [1.5, 7]. Применение данных электротехнологий позволит значительно снизить энергозатраты не только в сельскохозяйственном производстве, но в пищевой промышленности, общественном питании и в быту.
Основные преимущества СВЧ-нагрева по сравнению с передачей теплоты в материал путем теплопроводности - его тепловая безынерционность, т. е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый объект, а также высокий КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую. В ГНУ ВИЭСХ совместно с НПО "Импульс" разработаны СВЧ-установка для размораживания продукции, СВЧ-сушилка для сыпучих материалов и целый ряд других установок [7].
В настоящее время в ГНУ ВИЭСХ проводятся исследования по разработке комплексов для сушки зерна активным вентилированием с использованием полей СВЧ, позволяющих значительно снизить энергозатраты на обработку зерна [3].
Электрическое поле
Применение электрического поля является очень перспективным видом использования электрической энергии в сельском хозяйстве. Проведенные исследования в этой области позволили создать новые схемы процесса сепарации. В этих схемах разделение зерновой смеси производится по параметрам зерна, определяющим его поведение в электрическом поле: диэлектрическая
проницаемость зерна, электропроводность, способность к поляризации, а также к восприятию и отдаче электрического заряда.
В настоящее время разработаны и изготовлены различные типы электросемяочистительных машин. При очистке семян на этих машинах одновременно проявляется и стимулирующий эффект, т. е. повышается энергия прорастания и всхожесть семян, урожайность. Так, например, семена, имеющие низкую всхожесть и энергию прорастания, при обработке в поле коронного разряда повышают всхожесть на 15...20%, энергию прорастания в 2...3 раза, выживаемость на 25...30% и урожайность на
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
25% [6]. Электрическое поле напряженностью 200...400 кВ/м при воздействии в течение 10... 30 с хорошо стимулирует окоренение черенков плодово-ягодных культур [5].
Электрическое поле применяется и для осаждения химикатов в целях защиты растений, для очистки, озонирования и аэроионизации воздуха в животноводческих помещениях, при сушке с/х продукции, для доочистки и обеззараживания жидкой фракции навоза и в других целях. Доказано, что при сушке с/х продукции, если в камере зерносушилки создать электрическое поле, то благодаря электрокинетике (электроосмосу и электрофорезу) ускоряется выделение влаги из семян, и до 25% сокращаются энергозатраты и уменьшается время сушки.
Электрические импульсы высокого напряжения
Энергия импульсов при разрядах высокого напряжения позволяет интенсифицировать многие технологические процессы в с/х производстве и получать такие результаты, которых невозможно достичь традиционными электромеханическими способами. Например, подъем воды с больших глубин и обработка пищевых отходов, содержащих твердые примеси за счет электрогидравлического эффекта. Разработан электрогидравлический способ очистки шерсти от загрязнений, снижающий бактериальную обсемененность шерсти, расход воды в 2 раза и моющих средств в 3 раза. Электроимпульсные разряды применяют для измельчения известковых удобрений, предпосевной обработки семян, обеззараживания и пастеризации жидких с/х продуктов, уничтожения сорняков и вредителей в тепличных почвах, при электроискровом обмолоте зерновых культур и для других целей.
Как показали исследования, проведенные в ВИЭСХ, при использовании электрических импульсов для интенсификации обезвоживания зеленой массы при брикетировании кормов затраты энергии на сушку уменьшаются более чем в 2 раза.
Магнитное поле
Магнитное поле используют в сельском хозяйстве как непосредственно (очистка семян и кормов от металлических предметов, уменьшение образования накипи в двигателях внутреннего сгорания и т.п.), так и в специальных устройствах, предназначенных для стимуляции развития и повышения урожайности овощных культур с использованием семян, обработанных магнитным полем, обработки растений намагниченной водой, а также и для других целей.
Известно, что полив водой, обработанной магнитным полем, способствует переходу азота, фосфора и калия в состояние, более доступное для
усвоения растениями. Однако эти свойства сохраняются недолго (не более суток), что вынуждает обрабатывать воду непосредственно перед ее использованием.
В настоящее время в ВИЭСХ разработаны относительно простые устройства для обработки воды и семян магнитным полем с постоянными магнитами и с электромагнитами, которые позволяют получать прибавку урожая в защищенном грунте до 15-20 % практически без затрат электроэнергии.
Перспективными являются также
электротехнологии, позволяющие получать активированную жидкость при помощи электрических, магнитных, ультразвуковых и т.п. воздействий. Разрабатываются различные фильтры для активирования водных растворов, жировых эмульсий в воде, растворителей и других жидкостей, а при необходимости и для пастеризации жидких пищевых продуктов. В Санкт-Петербургском Государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ) разрабатываются устройства для магнитной обработки сырого молока, применение которых особенно перспективно на молочных фермах, расположенных достаточно далеко от молочных заводов. На основании проведенных экспериментальных исследований установлено, что магнитная обработка позволяет сохранить качество молока без изменений в течение нескольких дней. Активирование сырого молока снижает содержание микроорганизмов, кроме того, отмечено, что рН меньше, чем в необработанном молоке [8].
Заключение
Для повышения эффективности производства высококачественной с/х продукции на первом этапе необходимо реализовать в сельхозпроизводстве уже разработанные электротехнологии и
электротехнологические процессы, основанные на энергосберегающих методах воздействия на растения, животных, семена, корма, производимую продукцию, включающие: электрообогрев и облучение растений и животных; сортировку и предпосевную обработку семян; электрофизические методы обработки зерна, почвы, уничтожения сорняков, обеззараживания помещений, продукции, воды, кормов, воздуха; хранение картофеля, овощей и фруктов, в том числе с помощью метода микротоковой стабилизации; сушку
сельхозпродукции; электроплазмолиз растений; методы лечения животных и т. д. Их реализация позволит значительно углубить использование электрической энергии непосредственно в технологических процессах с большим технологическим и энергетическим эффектом.
Особая роль в развитии этого направления отводится реализации электротехнологий и
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
электрифицированных процессов первичной обработки и хранения сельхозпродукции (молока, картофеля, овощей, фруктов) с учетом её биологических свойств и особенностей её производства и реализации, которые можно определить при помощи разработанной в ВИЭСХ автоматизированной электронно-оптической
системы. С помощью разработанных алгоритмов преобразования цветовых изображений и оптических характеристик будет осуществляться оценка биоэкологических реакций семян (температура, свет, болезни, повреждения и другие стрессовые воздействия), оценка сортовых признаков, диагностика качества и прогнозирование изменений параметров.
Необходимо также широко применять генераторы озона и установки на их основе, которые предназначены для борьбы с вредителями в теплицах, для очистки питьевой воды вместо опасного хлора, дезинфекции помещений, воздуха, кормов, одежды на фермах и др.
На базе новых электротехнологий будут созданы высоковольтные источники питания и плазмотроны для электротехнологических процессов:
электропропольщики для уничтожения сорняков, установки для систем очистки сточных вод, ветеринарные и медицинские холодноплазменные коагуляторы и т.п.
Реализация энергосберегающих
электротехнологий в сельском хозяйстве будет способствовать достижению к 2020 г. следующих основных показателей:
- экономии электрической энергии - не менее 40 %;
- снижению потерь с/х продукции в 1,5.2 раза, сохранению качества и увеличению сроков ее хранения;
- снижению расхода электроэнергии на освещение и облучение в 2.2,5 раза.
Список литературы
1. Бородин И.Ф. Энергосберегающие электротехнологии сельского хозяйства // Вестник сельскохозяйственной науки. 1988. № 1.
2. Стребков Д.С., Коршунов Б.П., Тихомиров А.В. Перспективы развития энергосберегающих электротехнологий в сельскохозяйственном производстве // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 3-й Международной научно-технической конференции. Ч. 1. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003.
3. Васильев А.Н. Энергосберегающие электротехнологии сушки и предпосевной обработки зерна активным вентилированием // Автореферат диссертации на соискание уч. ст. д.т.н. ФГОУ ВПО АчГАА. 2009.
4. Полевик Н.Д., Попов В.М. и др. Повышение эффективности предпосевной СВЧ обработки семян // Механизация и электрификация сельского хозяйства. № 5 - 2012, с. 23-24.
5. Карасенко В.А., Заяц Е.М., Баран А.Н., Корко В.С. Электротехнология // М.: Колос, 1992, 304 с.
6. Тарушкин В.И., Козлов А.П. Инновационная техника отбора биологически ценных семян сельскохозяйственных культур // Техника и оборудование для села. № 8 - 2005, с. 27-30.
7. Шарков Г.А. Методика определения технологических режимов СВЧ-обработки продуктов растительного и животного происхождения // М.: Современные энергосберегающие технологии и оборудование, 1999. с 62.
8. Антуфьев В.Т., Шаульский А.П., Ковалева Л.О. Влияние безреагентной обработки на показатели качества молока // Известия СПбГУНиПТ №3, 2008, с. 30-32.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
