Применение иерархической модели искусственной биоэнергетической системы для оценки экологичности и энергоэффективности светокультуры Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 631.172: 574.46

Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО

(СПбГАУ, Sergej 1964®)yandex.ru) Мл. науч. сотрудник E.H. РАКУТЬКО (ИАЭП, elena.rakutko(a)mail.ra) Инженер A.C. ТРАНЧУК

(НПО «Псковагроинновации», tranchuk(a!yandex.rii)

ПРИМЕНЕНИЕ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИСКУССТВЕННОЙ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧНОСТИ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОКУЛЬТУРЫ

Искусственная биоэнергетическая система, иерархическая информационная модель, энергосбережение, энергоемкость, экологичность

Сельское хозяйство в целом представляет собой достаточно энергоемкую отрасль. В отличие от промышленности, в производственном процессе здесь присутствует биоэнергетическая составляющая - земля, растения, животные, -которая, с одной стороны, выступает как потребитель энергии, а с другой - как ее производитель в виде новых энергоносителей (продовольствия и побочных продуктов). В настоящее время около 55 отраслей народного хозяйства участвуют в производстве продовольствия, однако 82 % основных фондов и 70 % материальных затрат имеют промышленное происхождение. Это свидетельствует о том, что преобладающая часть энергетических ресурсов потребляется в других отраслях и только по каналам энергоэкономических связей поступает в сельское хозяйство [1].

Стоящая в настоящее время перед Россией задача повышения эффективности экономики может быть решена только при условии снижения энергоресурсоемкости валового продукта, активизации инновационных энергоэкологических процессов путем перевода экономики на интенсивный путь развития с приоритетным внедрением в практику энергоресурсосберегающих и природоохранных мер.

Важность проблем повышения энергоэффективности и ресурсоотдачи, энергосбережения и улучшения экологической обстановки сегодня неоспорима. По различным данным, экономика России в 3-5 раз (и более) энергозатратней и ресурсорасточительней передовых зарубежных экономик. Это связано с большими энергопотерями на всех этапах производства, передачи, распределения и потребления энергии; с моральным и физическим старением энергогенерирующих мощностей; исторически сложившимся режимом ресурсопользования. Для достижения энергоэффективности производства требуется внедрение современных специальных энергоэкологических технологий [2].

Выращивание растений при искусственном освещении связано с существенными энергетическими затратами, поэтому вопросы экологичности и энергоэффективности приобретают особую актуальность. Если критерием энергоэффективности может служить величина энергоемкости, то количественный учет воздействия процессов в светокультуре на окружающую среду затруднен в силу оттсутствия общепризнанных методик. Соответственно, различны и походы к формированию и содержанию показателя экологичности

Распространенной является оценка экологичности по критерию экологичности, учитывающего количества отдельных видов отходов, создаваемых и предельно допустимых концентраций токсичных веществ в отходах. Для абсолютно «чистой» технологии вычисляемый таким образом критерий равен нулю. В конечном итоге степень экологичности производства заключается в оценке его безотходности.

В светокультуре полезную продукцию формируют живые организмы - растения. В естественных условиях выращивания растения образуют агроэкосистемы, которые являются частью биосферы, управляемой человеком посредством созданных им технологий. Развитие аграрных знаний и практика производства продукции выявили необходимость создания энергоэффективных агротехнологии с минимальным негативным воздействием на окружающую среду, в основу которых должны быть положены наиболее важные достижения фундаментальных наук [3].

В условиях инновационного развития АПК актуальным становится разработка средств моделирования систем управления в сельскохозяйственных энергетических системах для

обеспечения энергосбережения и повышения энергоэффективности при соблюдении заданных требований и ограничений по устойчивости их функционирования, качества и надежности управления. Оценка экологичности хозяйственных систем возможна путем структурно-динамического анализа, исследующего конкретные взаимосвязи структурных и динамических форм развития многофакторных систем на фактическом материале при помощи мер динамики и структурных формирований различного уровня общности [4].

Целью работы является оценка энергоэффективности и экологичности светокультуры на основе предложенной ранее иерархической информационной модели искуственной биоэнергетической системы.

Человек получает необходимые ему пищевые и многие технические ресурсы благодаря способности экосистемы производить биомассу. Проблема обеспечения численно растущего человечества пищей - это главным образом проблема повышения продуктивности агроэкосистем (сельского хозяйства). В естественной экосистеме (ЕЭС) поток энергии в пищевой цепи подчиняется закону Линдемана, в соответствии с которым только часть энергии, поступившей на определенный трофический уровень агроценоза, передается организмам, находящимся на более высоких трофических уровнях (рис. 1).

Таким образом, в ЕЭС передача энергии с одного уровня на другой происходит с весьма малым КПД (~10 %). Воздействие человека на экологические системы ведет к снижению их продуктивности, что предъявляет еще более серьезные требования к эффективности агротехнологий

[5]. "

• ^¿ряг^Ч п ■ ^ оФгГ

Солнечная энергия. 100 кДж

ГР

Люцерна. 10 кДж

Животное, 1 кДж

Рис. 1. Потери энергии в пищевой цепи (по Т.Миллеру, 1994)

Пиша человека, ОД кДж

В трудах профессора В.Н. Карпова предложено понятие искусственной энергетической системы (ИЭС), являющейся технической основой организации движения энергии в энерготехнологических процессах (ЭТП) [6]. Для ИЭС (так же, как и для ЕЭС) можно составить аналогичную схему потерь энергии.

Понятие ИЭС развито нами до концепции искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) как совокупности энергетических установок, технологических процессов и аппаратов, биологических объектов, применяемых в АПК для проведения требуемых технологических операций по получению и переработке исходного сырья в промежуточные и конечные продукты потребления [7]. Эти процессы относятся к энергоемким, оптимизация их проведения требует наличия соответствующей информационной модели, учитывающей параметры входящих в систему объектов [8].

В данной работе оценка энергоэффективности светокультуры и ее экологичности по степени воздействия на окружающую среду (ОС) произведена с помощью иерархической информационной модели ИБЭС [9]. Научной основой модели является прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП), описывающая энергетику ИБЭС с учетом ее многоуровневости и закономерностей взаимодействия сельскохозяйственных биологических объектов с искусственной средой обитания. Процессы, протекаемые в сложных сельскохозяйственных ИБЭС, могут быть сведены к определенному набору типовых процессов преобразования энергии и переноса вещества, происходящих в отдельных объектах, составляющих систему. Многоуровневость ИБЭС определяет иерархичность информационной модели системы.

Эффект воздействия производства на ОС определяется величинами входных и выходных потоков на всех этапах многостадийных ЭТП, проводимых в ИБЭС. На рис. 2 показана вложенность уровней модели с указанием потоков энергии и вещества для светокультуры: первый уровень -уровень ИБЭС, функционирующей в пределах ОС; второй уровень - уровень технологического процесса облучения (ТПО) растений; третий уровень - уровень блоков преобразования энергии (БПЭ) и вещества (БПВ) в растениях.

ОС

г~

м.

~СГ И БЭС I

щ ШП

АО

=>

АМ]

---иг^---

Рис. 2. Уровни иерархии информационной модели ИБЭС для светокультуры

В целом для ИБЭС входные потоки делятся на материальные М, подаваемые на вход БПВ,

и энергетические Ои, подаваемые на вход БПЭ. Материальные потоки связаны с преобразованием

исходного сырья в процессе производства готовой продукции. Энергетические потоки учитывают все используемые виды энергоресурсов (топливо, электроэнергия, возобновляемые источники и т.д.).

Выходные потоки формируются из полезной продукции м , потерь вещества Л/У/ (отходы, выбросы, сбросы) и энергетических потерь АО .

Для модели светокультуры исходными являются следующие параметры: О - поток излучения источников, мкмольс"1; S - облучаемая площадь, м2; Еф - фотонная облученность, мкмоль с_1м"2; N - количество растений, шт; Р. - выход продукции с одного растения, г: / - время

выращивания, с;

М -

поток исходных веществ.

Расчетные формулы модели приведены ниже. Выход продукции светокультуры, г:

Поток продукции светокультуры, г с"1:

Р = Щ.

м=р-.

К I

О* = •

Ш = М -М

Поток излучения на поверхность, мкмоль с"1: Потери потока вещества, г с"': Потери потока излучения, мкмоль с"1: Энергоемкость процесса облучения, отн.ед. :

а а

Удельная энергоемкость, отн.ед. г" :

=

£п =

М

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

Энергоемкость продукции светокультуры, моль г"1:

Энергоемкость сырья, моль г"1:

=

£ =

О.

м

к

&

М

10"^.

10 6.

км =

Коэффициент экологичности по потоку вещества, отн.ед.:

м

_к_

м

н

Коэффициент экологичности по потоку энергии, отн.ед.:

(8)

(9)

(10)

(П)

3 а

Коэффициент экологичности светокультуры, отн.ед. :

К = КМ ■ Кв . (12)

э э э х 7

Можно показать, что связь между коэффициентом экологичности и параметрами энергоэффективности следующая:

(13)

Следовательно, максимальная экологичность функционирования светокультуры ( Кэ =1) наблюдается при соблюдении соотношения

£п =

(14)

'м

На рис. 3 показана зависимость энергоемкости ТПО £п от энергоемкости продукта Ем и энергоемкости сырья Е .

Рис. 3. Взаимосвязь показателей энергоемкости при максимальной экологичности ИБЭС

Поверхность, показанная на рисунке, построена по уравнению (14) и определяет множество точек, в которых наблюдается максимальное значение коэффициента экологичности К =1. Область

реальных сочетаний величин энергоемкостей при К < 1 расположена в пространстве графика выше

построеной поверхности. Задаваясь допустимым значением величины Кэ, возможно определение

набора £п, £м и £с, при которых достигается заданное значение коэффициента экологичности.

Рассмотрим применение модели для оценки энергоэффективности и экологичности светокультуры картофеля, выращиваемого по аэропонной технологии. Картофель (Solanum tuberosum) является одной из основных продовольственных культур, традиционно его размножают вегетативно - клубнями. Однако при этом трудно оградить посадочный материал от вирусов, которые существенно снижают урожай. В современных условиях исключительно большое значение имеет поиск эффективных путей оптимизации процесса семеноводства картофеля, особенно на этапах размножения материала [10]. Для избавления посадочного материала картофеля от вирусов применяют меристемную культуру, сущность которой заключается в следующем. Зона роста растения (апекс) состоит из активно делящихся клеток. Она лишена сосудистых элементов, что затрудняет проникновение вирусов. Клетки меристемы не дифференцированы, в дальнейшем из них могут сформироваться все остальные ткани растения. Их отделяют и помещают на специально подобранные среды, где они продолжают делиться и дифференцироваться in vitro, формируя корни, побеги и листья будущего растения.

Миниклубни картофеля получают из микроклубней или меристемной культуры. В настоящее время для получения миниклубней из культуры тканей преимущественно используется гидропоника или аэропоника, применение которых позволяет снизить затраты, вести работы круглый год и уменьшить потери. Обычно размер миниклубней составляет 1,0-1,5 см, вес 6-10 г, что идеально подходит для хранения, перевозки и механизированной посадки.

Эксперимент проводился совместно ФБГНУ ИАЭП и НПО «Псковагроинновации» осенью 2014 года на производственных площадях ГАУ НИЦ «Моссемпродтехкартофель», который занимается разработкой и внедрением инновационных направлений в развитии картофелеводства для обеспечения населения Москвы и хозяйств Московской области оздоровленным безвирусным семенным картофелем. В подвальном помещении НПЦ установлены 8 аэропонных модулей, расположенных в два ряда с центральным проходом между ними. Размер модуля 5200x2450 мм. Каждый модуль состоит из восьми лотков, в которых имеется по 16 гнезд с шагом 150 мм для

размещения саженцев (рис. 4).

¡ 2 3 4 5 6 7 8

16

номер пммш

I I

Рис. 4. Схема размещения облучателей над модулем для выращивания картофеля по аэропонной технологии

ООО Г

и

о

2 3 4 5 6 " ""•Чфлотед 8

Рис. 5. Картина распределения освещенности по аэропонному модулю

Черенкование растений картофеля двух сортов (Невский и Романо) было произведено 16.09.2014 г. На аэропонную установку растения были высажены 16.10.2014 г. Температура воздуха на экспериментальной установке составляла + 26 °С.

Известно, что важнейшим фактором развития растений является оптическое излучение. В качестве источника излучения использовали шесть экспериментальных облучателей Спектр-Р У-400 с энергосберегающей люминесцентной индукционной лампой. На рис. 5 показано распределение освещенности по поверхности аэропонного модуля.

Производили исследование физиологических и биометрических показателей растений картофеля в процессе их выращивания, статистики сбора урожая и оценку качества клубней

картофеля в конце срока выращивания растений. На рис. 6 показан вид аэропонного модуля с выращиваемыми растениями. Распределение светового потока на модулях измеряли люксметром ТКА-Люкс с матовой сферической насадкой (рис. 7). Спектр излучения контролировали спектроколориметром ТКА ВД/0,4. Фотонную облученность измеряли с помощью 1лСог-250 А.

Рис. 6. Модуль для выращивания картофеля по аэропонной технологии

Рис. 7. Измерения параметров облучения

При выращивании растений по аэропонной технологии не требуется почвенный или водный субстрат. Корни растения размещаются в воздухе, в пустой тёмной камере, а питательные вещества доставляются к ним в форме аэрозолей (рис. 8). Данная технология позволяет экономить энергию и воду, а также увеличивает эффективность контроля за здоровьем растений. Режим освещения регулируется автоматикой. Сбор миниклубней растянут во времени, что позволяет снимать клубни определённого размера и стимулирует растение к формированию новых клубней (рис. 9).

Рис. 8. Внешний вид миниклубней в коробе аэропонной установки

I

X

ю

I

а

X 8

О

м н

о «

Ц О

3000 2500 2000 1500 1000 500 0

40 60 80 100

День сбора

Рис. 9. Динамика выхода миниклубней во времени

Численые значения показателей энергоэффективности и экологичности светокультуры по результатам эксперимента следующие.

Для облучательной установки аэропонного модуля поток излучения источников Ои = 1680

мкмольс"1. Облучаемая площадь S =12,56 м2. Фотонная облученность Еф = 90 мкмольс_1м"2. Количество полученных микроклубней N =2824 шт. Вес одного микроклубня г, =10 г. Время выращивания Т =3,53 10бс. В соответствии с первоначальным планом исследований не

предполагалось фиксирование величины потока исходных веществ. Для демонстрации возможностей модели примем Мъ= 9,44 10° г с"1.

Выход продукции светокультуры Р =2824 10 = 28240 г. Поток продукции светокультуры м =28240/3,53 10б= 8 10~3 г с"1. Поток излучения на поверхность О =90 12,56 = 1146 мкмольс1. Потери потока вещества AM =9,44 10~3-8 10~3 = 1,44 10~3 г с"1. Потери потока излучения АО =1680-1146 = 534 мкмольс"1. Энергоемкость процесса облучения £^=1680/1146=1,47 отн.ед. Удельная энергоемкость Svd = 1,47/8 10~3 = 183 отн.ед. г" . Энергоемкость продукции светокультуры Бм = 1146 10 б/8 10 3 = 0,14 моль г" . Энергоемкость сырья £ ,= 1680 10"б/9,44 10"3= 0,18 моль г" . Коэффициент экологичности по потоку вещества К ' = 8 10 79,4410° = 0,85 отн.ед. Коэффициент экологичности по потоку

энергии =1146/1680 = 0,68 отн.ед. Коэффициент экологичности светокультуры К =0,85 0,68 = 0,58 отн.ед.

Таким образом, в работе показана возможность описание распределения потоков вещества и энергии, а также оценка экологичности и энергоэффективности светокультуры с помощью иерархической информационной модели ИБЭС.

Удобство и наглядность представления потоков вещества и энергии и их зависимости от внутренних параметров модели позволяет использовать предлагаемую модель, реализованную в программно-аппаратном виде, в учебном процессе аграрного вуза, т.е. при обучении будущих специалистов теоретическим основам энергосбережения.

Известно, что в общем случае технологический процесс является тем более энергосберегающим, чем он более экологичен и чем меньше в ходе его образуется неиспользуемых отходов [11]. Поэтому рассмотренный подход может быть применен при оценке экологичности проводимых энергосберегающих мероприятий и перспектив ее повышения.

Литература

1. Возмилов А.Г., Каримов В.Н., Сажин В.Н. Энергетическая оценка производства сельскохозяйственной продукции//Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2004.-№12-С. 3-5.

2. Архаров Ю.М. Экоэнергетика - основа экономического роста в XXI веке [Электронный ресурс]. URL: http://esco-ecosys.narod.ru/2006_l/artl62.htm, свободный (дата обращения 10.07.2015).

3. Паршин А.И., Свентицкий И.И. Использование метода симметрии для ресурсосберегающей оптимизации в растениеводстве // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2006.-№12.-С. 2-4.

4. Литовка О.П., Дедов Л.А., Павлов К.В., Федоров М.М. Структурно-динамический подход к исследованию эколого-экономических систем // Экономика промышленности,- 2005,- Т. 29,- № 3 - С. 52-63.

5. Охрана окружающей среды / Сост. А.С.Степановских,- М.: Юнити-Дана, 2000.-559с.

6. Карпов В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений: Монография/ СПбГАУ,- СПб, 2005.-137 с.

7. Ракутько С.А. Энергетическая оценка и оптимизация биотехнических сельскохозяйственных систем // Вестник РАСХН,- 2009,-№4,- С. 89-92.

8. Ракутько С.А. От понятия потребительской энергетической системы к иерархической информационной модели искуственной биоэнергетической системы // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2014 - № 35. -С. 312-318.

9. Пат. РФ № 2528577. Иерархическая информационная модель искусственной биоэнергетической системы / Ракутько С.А.; заявитель и патентообладатель ИАЭП,- 2014103138/08; заявл. 29.01.14; опубл. 18.06.15.

10. Анисимов Б.В., Чугунов B.C. Инновационная схема оригинального семеноводства картофеля // Картофель и овощи.-2014.-№6.-С. 25-27.

11. Купреенко А.И. Экологичность технологического процесса-фактор энергосбережения // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 2005 - №6,- С.20-21.