CC BY
47
УДК 631.371:621.311.004.18
С.А. Ракутько, канд. техн. наук, доцент
ФГОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет»
принципы прикладном теории энергосбережения и их практическое применение к оценке энергоемкости облучения растений
Современное состояние агропромышленного комплекса характеризуется высокой энергоемкостью производимой продукции. Проблема энергосбережения в АПК является одной из важнейших проблем отраслевой энергетики. Решение ее невозможно без соответствующего научнометодического обеспечения. Задачей последнего является разработка общей теории энергосбережения и обоснование конкретных энергосберегающих мероприятий (ЭСМ), в числе которых могут быть правовые, организационные, научные, производственные, технические и экономические меры, направленные на эффективное использование энергетических ресурсов. Поэтому безусловно перспективными следует считать научные разработки, направленные на выработку как общей стратегии сбережения энергоресурсов, так и принятие конкретных энергосберегающих решений.
Технической основой организации движения энергии в различных энергетических процессах является искусственная энергетическая система (ИЭС) потребителя. Начала теории энергосбережения заложены в трудах доктора техн. наук, профессора В.Н. Карпова. Предложенный им метод конечных отношений (МКО) является теоретической основой повышения эффективности общего энергоиспользования на основании результатов анализа величин относительной энергоемкости по всем энергетическим процессам в системе [1].
Целью настоящей работы является иллюстрация практического применения принципов прикладной теории энергосбережения для энергетического анализа в сельскохозяйственных энерготехнологических процессах (ЭТП) на примере тепличных об-лучательных установок (ОбУ).
Под ЭТП понимается процесс, основанный на преобразовании энергии, подаваемой на вход процесса Q, в энергию Р, содержащуюся в конечном продукте. В реальном ЭТП также имеют место потери энергии ЛQ. Протекает процесс при определенных значениях некоторых координат
4 и С.
Уравнение энергетического баланса для ЭТП имеет вид:
Энергоемкость ЭТП
Q
Р
(2)
Индекс «4, С» является показателем того, что ЭТП рассматривается при текущем значении некоторых координат 4 и £. Очевидно, что уравнения (1) и (2) можно записать как для всего ЭТП, так и для отдельных его этапов.
Целью ЭСМ является такое проведение этапов ЭТП, при котором потери будут наименьшими. В качестве характеристики эффективности ЭСМ на г-м этапе целесообразно принять коэффициент, равный отношению энергоемкости этапа в базовом варианте его проведения е; к энергоемкости этапа при внедрении ЭСМ е';:
1 ЭСМ _________________ *“'1
к1 .
(3)
Численная оценка оптимизации проведения этапа ТПО в координатах 4-^ может быть произведена при наличии соответствующих функциональных зависимостей. В рассматриваемом ниже примере в качестве этих координат приняты время наработки источников света (ИС) и напряжение питания.
Важнейшим видом ЭТП является технологический процесс облучения (ТПО). Использование энергии оптического излучения (ОИ) как технологического фактора не связано непосредственно с механическим и электрическим воздействием на обрабатываемые объекты. Необходимое положительное действие достигается благодаря значительной проникающей способности излучения и специфическому воздействию его на клеточном и молекулярном уровнях в биологических объектах. Характерным примером ТПО является облучение растений в культивационных сооружениях. Применяемые в тепличных ОбУ ИС являются преобразователями подводимой электрической мощности в поток фотосинтетически активной радиации (ФАР).
Энергоемкость данного этапа преобразования энергии
Р кр Рн
£ = — = —— = кл н, Ф кф Фн е н
(4)
Q = Р + ЛQ|
4,С
(1)
где Р, Рн — подводимая к ИС мощность соответственно в текущем режиме эксплуатации и ее номинальное зна-
чение, Вт; Ф, Фн — поток ФАР соответственно в текущем режиме эксплуатации и его номинальное значение, Вт; kp — коэффициент отклонения мощности, отн. ед.; kф — коэффициент отклонения потока, отн. ед.; ^ — коэффициент отклонения энергоемкости; Бн — номинальное значение энергоемкости этапа.
В Отраслевой лаборатории кафедры энергообеспечения производств СПбГАУ (научный руководитель доктор техн. наук, профессор В.Н. Карпов) при непосредственном участии автора статьи были исследованы параметры ламп ДРИ-2000 в процессе их эксплуатации в условиях нестабильности питающего напряжения. Лампы испытывались в селекционном комплексе Всесоюзного института растениеводства (г. Павловск) на специально сконструированном измерительном комплексе [6]. Результаты экспериментов показали, что как на интегральную величину потока ИС, так и на их спектральные характеристики большое влияние оказывают эксплуатационные факторы (в первую очередь, время наработки и величина питающего напряжения).
На рис. 1 проиллюстрировано обоснование снижения энергоемкости этапа преобразования подводимой электрической мощности в интегральный поток излучения.
Значения напряжения питания (координата заданы относительной величиной
^ ^ ^ (5)
где UI^ — текущее значение напряжения питания, В; Uн — номинальное значение напряжения питания для ламп данного типа, В.
Пусть кривая е = Ут=т (и) характеризует зависимость энергоемкости ламп с наработкой T2 (координата 4) от величины питающего напряжения, а кривая е = Ут=т ^) — ламп с наработкой T1 (причем T1 < T2). В базовом варианте (т. А на графике) энергоемкость процесса равна еА.
Анализ полученных зависимостей показывает, что снижение энергоемкости возможно различными путями:
1. Переход к режиму эксплуатации с энергоемкостью ев < еА, соответствующему т. В на графике. Такой переход обеспечивается техническим мероприятием — изменением величины питающего напряжения от U1 до U2 (а в более общем случае — стабилизацией питающего напряжения при наличии случайных или систематических отклонений ее величины).
2. Переход к режиму эксплуатации с энергоем-
костью ес < еА, соответствующему т. С на графике. Такой переход обеспечивается организационным мероприятием — применением ламп с временем наработки ^ ^ т. е. соблюдением режимов
обслуживания ОбУ.
Рис. 1. К обоснованию снижения энергоемкости облучения растений
3. Переход к режиму эксплуатации с энергоемкостью е0 < ес, ев < еА, соответствующему т. D на графике. Такой переход обеспечивается совместным выполнением указанных выше организационно-технических мероприятий.
Эффективность отдельных ЭСМ независимо от их природы характеризуется значениями соответствующих коэффициентов эффективности kЭСМ которые символически показаны на рисунке в виде переходов между соответствующими режимами эксплуатации q и p.
Оказываемое воздействие и передаваемая излучением энергия определяются не только интегральным потоком, но в большой мере зависят от длины волны. Более глубокий энергетический анализ процесса облучения растений связан с учетом спектральных характеристик ИС.
Исследованиями установлено, что различные виды растений требуют разного спектрального состава излучения, причем оптимум выражен достаточно четко. В настоящее время в соответствии с действующими в отрасли методиками спектральный состав излучения характеризуется соотношением интенсивности излучения трех спектральных диапазонов к, %, области ФАР: синего (400.. .500 нм), зеленого ^ (500.. .600 нм)
и красного ^ (600.700 нм). Для некоторых светокультур найдены спектральные соотношения, обеспечивающие наилучшие результаты. Например, спектральные соотношения (в процентах) для огурца — k : k : k = 17 : 40 : 43, для томата—k : k : k =
син зел кр ’ ** син зел кр
= 15 : 17 : 68 (средние из приведенных в [4]).
13
Спектральные характеристики ИС и оценка эффективности применения их для светокультур
Тип ИС Спектр излучения, % Энергоемкость для светокультур, отн.ед. Компоновка ИС для светокультуры
^син ^зел ^кр огурца £ог £Том огурца томата
ДРЛФ-400 26 56 18 2,4 3,8 х
ЛОР-1000 43 14 43 2,9 1,6 х
ДРФ-1000 33 50 17 2,5 4,0 х
ДНаТ-400 7 56 37 2,4 2,1 х
ДРИ-400-6 39 43 18 2,4 3,8 х
ЛН 14 34 52 1,2 1,3 х
ЛФР-150 20 17 63 2,4 1,1 х
ДМГФ-1000 Э 20 40 40 1,1 1,7 х
Для оценки и сравнения эффективности воздействия разноспектрального излучения в условиях светокультуры нами предложен критерий, позволяющий учитывать как биологические особенности растений, так и реальные спектральные характеристики применяемых ИС [2]. Таким критерием предложено считать показатель, характеризующий близость спектрального состава излучения к требуемому, — коэффициент отклонения спектра KS:
К = А 1 Х( * - )2, (6)
V 1=1
где *1 и *1н — соответственно действительная и нормируемая доли энергии потока излучения ИС в г-м спектральном диапазоне; п — количество контролируемых фотосинтетически активных спектральных диапазонов (п = 3).
Равенство К нулю свидетельствует о соответствии спектрального состава излучения заданному.
С другой стороны, любые отклонения спектральных параметров от нормируемых приводят к увеличению значения К§, и тем большему, чем большие спектральные отклонения имеют место.
Для тепличных ОбУ передаваемая растениям лучистая энергия характеризуется величиной дозы Н0, Втч/м2, определяемой как произведение создаваемой облученности Е0, Вт/м2, и времени облучения Т, ч:
Н0 = ЕТ. (7)
При отсутствии данных о требуемом спектральном составе излучения для растений под облученностью понимают создаваемую интегральную облученность как поверхностную плотность энергии всего диапазона длин волн, генерируемых ИС. Для разноспектрального излучения нормируемыми значениями становятся дозы излучения Н1, Втч/м2, в отдельных спектральных диапазонах:
Н = ЕТ, (8)
где Е1 — облученность в г-м спектральном диапазоне, Вт/м2,
Е = кЕ0. (9)
Однако, как правило, применяемые ИС имеют спектральный состав излучения отличный от оптимального. Более того, анализ спектральных параметров промышленно выпускаемых ИС, представленных в таблице, показывает, что не существует ИС, спектр излучения которого точно соответствует указанным выше оптимальным для выращивания культур спектральным соотношениям [4].
Использование ИС со спектральным составом, не соответствующим оптимальному для облучаемых растений, ведет к дополнительным потерям, природа которых связана с необходимостью обеспечивать требуемую дозу облучения в «дефицитном» спектральном диапазоне, завышая ее в других диапазонах на некоторую величину кз, которую можно назвать коэффициентом завышения:
кз = тах | ^ |. (10)
Можно показать, что численное значение энергоемкости равно коэффициенту завышения, т. е.
6 = кз. (11)
На рис. 2 показаны результаты моделирования влияния величины коэффициента отклонения спектра К, на значение энергоемкости 6. Заштрихованная зона соответствует значениям К,, образованным различными сочетаниями к.
Таким образом, введенный нами коэффициент отклонения спектра К, является также показателем энергоемкости процесса облучения растений 6. При больших значениях К, наблюдаются большие значения 6.
В таблице приведены результаты расчетов энергоемкости процесса облучения для культур огурца и томата и произведена компоновка облучательной установки по типам ИС к светокультуре томата или огурца исходя из минимального значения обеспечиваемой энергоемкости.
Рассмотренные теоретические положения нашли свое практическое воплощение в технических решениях, защищенных патентами РФ [2, 3].
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы.
1. Прикладная теория энергосбережения является основой энергетического анализа этапов ЭТП и оценки эффективности применяемых ЭСМ.
2. Снижение энергоемкости облучения растений по интегральному потоку обеспечивается как техническим мероприятием — стабилизацией питающего напряжения, так и организационным — соблюдением режимов обслуживания ОбУ. Эффективность отдельных ЭСМ, независимо от их природы, характеризуется соответствующими коэффициентами эффективности.
3. Снижению энергоемкости облучения растений по спектральному составу способствуют аналогичные организационно-технические ЭСМ, критерием эффективности которых является обеспечение требуемого коэффициента спектральных отклонений.
4. Реальным путем учета различий в спектральных характеристиках ламп и изменений по причине старения, отклонений величины питающего напряжения и технологического разброса параметров является компоновка групп ламп с близкими параметрами для эксплуатации в одной ОбУ.
5. Установленная взаимосвязь коэффициента отклонения спектра и энергоемкости процесса облучения растений говорит о том, что мероприятия по обеспечению более точного соответствия спектрального состава применяемых ИС требуемым значениям следует считать энергосберегающими мероприятиями.
Таким образом, изложенные подходы к оценке энергосберегающих мероприятий в ЭТП АПК на основе их энергетического анализа позволяют производить обоснованный выбор наиболее эффективного способа проведения технологического процесса и добиваться максимального энергосбережения [5].
£, ^ отн. ед.
2,0
1,0
0 10 20 К, отн. ед.
б’
Рис. 2. Зависимость энергоемкости £ от величины коэффициента отклонения спектра К
Список литературы
1. Карпов, В.Н. Энергосбережение — начала теории / В.Н. Карпов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2008. — № 3. — С. 3-5.
2. Пат. 2053644 РФ, МПК6 Л01С9/24, Л01С31/02. Способ искусственного облучения растений в процессе выращивания / С.А. Ракутько. — № 93008935/15; заявл.17.02.93; опубл. 10.02.96.
3. Пат. 2073317 РФ, МПК6 Н05В41/36. Способ питания газоразрядных ламп при облучении растений / С.А. Ракутько. — № 93028234/07; заявл.01.06.93; опубл. 10.02.97.
4. Прикупец, Л.Б. Оптимизация спектра излучения при выращивании овощей в условиях интенсивной светокультуры / Л.Б. Прикупец, А.А. Тихомиров // Светотехника. — 1992. — № 3. — С. 5-7.
5. Ракутько, С.А. Оптимизация электротехнологиче-ских процессов оптического облучения в АПК / С.А. Ракутько // Сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф.: Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. — 23-24 окт. 2008. — Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2008. — С. 129-132.
6. Ракутько, С.А. Система контроля параметров источников света для облучения растений / С.А. Ракутько // Материалы 8-й Междунар. науч.-техн. конф.: Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2008). — 24-25 сент. 2008. — Саратов: СГТУ, 2008. — С. 327-330.
УДК 628.971 (1-22)
Н.П. Кочетков, канд. техн. наук, доцент Т.А. Широбокова, канд. техн. наук
ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА ПИТАНИЯ НАРУЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ
Н
аружное освещение является необходимой в темное время суток. Исходный режим питания
частью благоустройства сельских населен- наружного освещения СНП определяется ос-
ных пунктов (СНП), обеспечивающей безопас- новной системой напряжений 110/35/10/0,38 кВ
ность автомобильного и пешеходного движения и преобладающей схемой электроснабжения сель-
---------------------------- 15
