B19 Оптимизация энергосбережения в оптических электротехнологиях АПК по критерию энергоемкости

Ракутько С.А., Дальневосточный ГАУ, г. Благовещенск

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Повышение энергетической эффективности оптических электротехнологий (ОЭТ), т.е. технологических процессов АПК, в которых оптическое излучение (ОИ) используется как специфический энергетический фактор по сравнению с другими технологиями, является для сельскохозяйственного производства наиболее наукоемкой задачей.

Цель данной работы - рассмотрение энергетических основ оценки эффективности ОЭТ в АПК.

В связи с важностью излучения в отдельных сельскохозяйственных технологических процессах целесообразно выделить в отдельный технологический процесс сам процесс облучения. Таким образом, под технологическим процессом облучения (ТПО) будем понимать: процессы создания требуемых спектральных характеристик излучения; обеспечение требуемого пространственного распределения потока и его распространения по поверхности облучаемого объекта (ОО); соблюдение требуемого закона изменения параметров излучения во времени. Преобразования энергии в ТПО могут быть представлены последовательностью следующих этапов:

I этап - подача электроэнергии к источнику излучения (ИИ);

II этап  - генерирование потока в ИИ;

III этап - формирование потока отражателем;

IV  этап - формирование пространственного распределения потока;

V этап  - формирование поверхностного распределения потока на ОО;

VI этап - поглощение и превращение энергии потока ОО.

На рис. 1 показаны этапы преобразования энергии в ТПО.

 

Рисунок 1.  Этапы преобразования энергии в ТПО 

В силу особенности процесса оптического облучения этапы ТПО практически не разнесены во времени. Физическими границами этапов являются следующие элементы энергетической системы: линия электропитания, ИИ, облучатель, среда, поверхность ОО. Протекание каждого этапа характеризуется своим параметром: потребляемой мощностью P, Вт; генерируемым  и отраженным  потоками (измеряемыми в эффективных единицах, например, лм), распределением потока в пространстве , кд; освещенностью E, лк; количеством фотопродукта p, кг.

Обобщенным параметром, характеризующим эффективность передачи энергии на i-ом этапе ТПО является энергоемкость этапа :

,     (1)

где  - энергия на входе данного этапа;
 - энергия на выходе данного этапа [3].

Задачей энергосберегающих мероприятий (ЭСМ) является снижение энергоемкости этапов ТПО. Коэффициент эффективности ЭСМ для i-го этапа

,      (2)

где  - энергоемкость этапа в базовом варианте его проведения;

 -  энергоемкость этапа при проведении ЭСМ.

Для последовательности этапов (т.е. всего ТПО)

         (3)

Теоретическим обоснованием рассмотренных положений является разработанная автором прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП), на основе которой возможно  проектирование и оценка эффективности отдельных ЭСМ, обоснование режима проведения ТПО, формирование энергосберегающего алгоритма управления [1].

Рассмотрим пример оценки эффективности ЭСМ для ТПО растений в условиях светокультуры.

I  этап. Реальные условия эксплуатации ИИ характеризуются значительными отклонениями условий питания от номинальных. При повышении значения питающего напряжения увеличивается потребляемая ИИ мощность и снижается их срок службы.  ЭСМ на данном этапе является стабилизация значения питающего напряжения.

Энергоемкость этапа

       (4)            

где n- количество интервалов разбиения гистограммы отклонений напряжения pi, характеризующей вероятность попадания величины напряжения в соответствующий интервал напряжений kUi;

qФ - показатель, характеризующий чувствительность коэффициента отклонения потока ИИ от коэффициента отклонения напряжения;

qT - показатель, характеризующий чувствительность коэффициента   отклонения срока службы ИИ от коэффициента  отклонения напряжения.

II этап. Характеристикой эффективности данного этапа является отдача ИИ, которая задается при его изготовлении. Поэтому ЭСМ на этом этапе является обоснованный выбор наиболее эффективного ИИ из предлагаемых промышленностью.

Энергоемкость этапа

       (5)

где P -  мощность, потребляемая ИИ;
Ф - поток ИИ.

III этап. ЭСМ на данном этапе является использование отражающего покрытия на облучателе, наиболее оптимальным образом производящего спектральную коррекцию генерируемого ИИ потока. Эффективность данного этапа определяется кривой спектрального коэффициента отражения покрытия облучателя.

Энергоемкость этапа

         (6)

где  - интенсивность излучения ИИ на длине волны ;

 - чувствительность ОО на данной длине волны,

 - спектральный коэффициент отражения поверхности облучателя.

IV этап. На данном этапе происходит передача потока энергии от облучателя к ОО через поле излучения. ЭСМ является применение облучателя с таким светораспределением, которое обеспечивает наибольшую долю передаваемого на ОО потока.

Энергоемкость этапа

          (7)

где  - зависимость силы излучения от угла ;

 - телесный угол, в пределах которого сосредоточен поток, падающий на ОО.

V этап. На данном этапе происходит формирование распределения облученности по ОО. Критерием полезности потока является коэффициент полезного использования, расчет которого в простейшем случае производится через равномерность создаваемой облученности. ЭСМ является оптимизация компоновочных решений.

Энергоемкость этапа

                 (8)

где  - телесный угол, в пределах которого сосредоточен поток, создающий на ОО условия облученности требуемого качества.

VI этап. Эффективность восприятия ОО энергии излучения зависит от режимов облучения, оптимизация которых является задачей ЭСМ на данном этапе.

Энергоемкость этапа

           (9)

где S - поверхность ОО, на которой эффективно воспринимается поток.

В табл. 1 представлены результаты расчетов коэффициентов эффективности ЭСМ  для условий светокультуры.  

Таблица 1
Результаты оценки эффективности ЭСМ на различных этапах ТПО растений в условиях светокультуры

этапа

Энергосберегающие мероприятия

, отн.ед

I

Стабилизация условий электрического питания

1,60

II

Выбор более эффективного источника излучения

1,30

III

Оптимизация отражающих свойств облучателя

1,10

IV

Выбор оптимального облучателя

1,50

V

Улучшение компоновочных решений

1,15

VI

Оптимизация режимов облучения

1,05

 

Совокупность всех мероприятий

4,14

Расчеты по предложенной методике показали, что наибольший эффект в целях обеспечения энергосбережения при облучении растений может дать стабилизация условий электрического питания. Совместное применение рассмотренных ЭСМ повышает эффективность использования энергии в 4,14 раза. Безусловно, для полной экономической оценки эффективности конкретных ЭСМ необходим учет затрат на сами мероприятия, поскольку представленная методика учитывает только энергетический аспект передачи энергии в процессе облучения [2].

Выводы. Оптические электротехнологии являются важными для отраслей АПК технологическими процессами. Большие энергетические потери в ОЭТ обусловливают низкую эффективность использования энергии и высокую энергоемкость, что составляет важную научную проблему. Видовые особенности реакции различных объектов АПК на воздействие ОИ, наличие различных несравнимых между собой схем применения ОИ затрудняют анализ физико-химических и фотофизических реакций, происходящих в ОО. Рассмотрение особенностей ОЭТ дает основание выделить собственно технологический процесс облучения, который может быть представлен в виде последовательности этапов преобразования энергии. Основным критерием при оценке эффективности преобразования энергии на различных этапах ТПО следует считать энергоемкость этапа.

Литература:

  1. Ракутько, С.А. Общие принципы энергетического анализа прикладной теории энергосбережения и их практическое применение / С.А.Ракутько // Энергетический вестник.- СПб: СПбГАУ, 2009.-С.90-96.
  2. Ракутько, С.А. Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий в электротехнологиях оптического облучения / С.А.Ракутько // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 2008.-№11.-С.31-33.
  3. Ракутько, С.А. Энергоемкость как критерий оптимизации технологических процессов  С.А.Ракутько // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2008.-№12.-С.54-56.

Тематика:

Комментариев: 5


» Гулин Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 06:06:00 }

Согласен что, принцип строгой нормированности световых параметров должен не только теоретически, но и практически являться определяющим в технологиях с применением оптического излучения. Особенно это важно в научно-исследовательских теплицах и климатических установках, где крайне существенно строгое воспроизведение на протяжении исследовательских циклов заданных условий световой окружающей микросреды.
Что касается спектральных параметров светового излучения к растениям, то инженерная светотехническая мысль уже изрядно давно заметила их существенность, но, к сожалению, ботаники ведущих растениеводческих институтов слабо выходят диалог по данному вопросу. Как на сегодня согласуется явная ограниченность и неконкретность информации по спектральным требованиям растений с принципом строгой нормированности?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 12:06:51 }

Уважаемый Сергей Васильевич!
Не могу согласиться с ограниченностью информации о спектральных требованиях растений.
Например, А.с. СССР № 1620062, МКИ A 01G 31/00 Способ выращивания огурца / Тихомиров А.А., Золотухин И.Г., Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я., Прикупец Л.Б.- № 4650599/13; заявл.17.02.89; опубл. 15.01.91.-Бюл. №2 и другие работы этих авторов. Ими получены конкретные данные по спектральным интервалам. Наше, инженерно, дело - обеспечить эти требования методиками проектирования ОбУ, их эксплуатацией.

» Козлов Игорь (об авторе) { Июнь 11, 2009 - 09:06:10 }

В общей формуле (1) энергоемкость как отношение энергий, очевидно, не имеет размерности.
Формулы для энергоемкости отдельных этапов подразумевают, что величина энергоемкости - размерная единица. Как автор объяснит это противоречие?

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 13, 2009 - 12:06:40 }

Уважаемый Игорь!
Спасибо за вопрос.
Противоречия, по сути, нет. В общем случае энергоемкость - отношение потребляемой системой энергии к выходной величине. Если на входе и выходе - энергия, измеряемая в Дж, то энергоемкость не имеет размерности. Если на выходе - продукция, измеряемая в кг, то размерность энергоемкости Дж/кг.

» Ракутько Сергей (об авторе) { Июнь 15, 2009 - 04:06:13 }

Автор благодарит всех участников Национальной Светотехнической Конференции – 2009, прочитавших наш доклад, а особенно, принявших участие в его обсуждении.
Дополнительную информацию по рассматриваемому вопросу можно найти в следующих работах автора:
1. Ракутько, С.А. Анализ электротехнологических процессов в АПК как основа энергосбережения [Текст] / С.А.Ракутько // Международный сельскохозяйственный журнал.- 2009.- №1.-С.58-60.
2. Ракутько, С.А. Способ снижения энергоемкости в тепличных облучательных установках [Текст]/ С.А.Ракутько // Международный сельскохозяйственный журнал.- 2009.- №2.-С.63-64.
3. Ракутько С.А. Методика оценки эффективности способа снижения энергоемкости процесса облучения животных на основе учета их вероятностного поведения [Текст]/ С.А.Ракутько // Известия СПбГАУ.-2008.-№9.-168-173.
4. Ракутько, С.А. Принципы прикладной теории энергосбережения и их практическое применение к оценке энергоемкости облучения растений [Текст]/ С.А.Ракутько // Вестник МГАУ.-2009.-№1.
5. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП): опыт систематического изложения [Текст]/ С.А.Ракутько // Известия СПбГАУ.-2009.-№12.-С.133-137.
6. Ракутько С.А. Энергетическая оценка и оптимизация биотехнических сельскохозяйственных систем // Вестник РАСХН.-2009.-№4.
7. Ракутько, С.А. Энергоресурсосбережение в инновационных технологиях оптического облучения АПК // Известия ФГОУ ВПО Самарская ГСХА. Вып. 3.- Самара, Книга, 2008. - С. 166-170.
8. Ракутько, С.А. Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий в технологическом процессе облучения // Материалы Всероссийских научно-практических конференций.- Саратов, Научная книга, 2008. –С.45-52.
9. Ракутько, С.А. Методика оценки эффективности энергосберегающих мероприятий в установках оптического облучения // Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК: материалы Международной научно-практической Интернет-конференции 17-18 марта 2008 г. [сборник].- Орел: изд-во Орел ГАУ, 2008.-С.58-61.
10. Ракутько, С.А. Оптимизация энергосбережения в оптических электротехнологиях сельского хозяйства / С.А.Ракутько // «Энергосбережение - теория и практика».- труды IV-ой межд.школы-семинара.- М.: Изд.дом МЭИ, 2008.- С.174-176.
Ракутько, С.А. Оптимизация электротехнологических процессов оптического облучения в АПК / С.А.Ракутько // Сб.науч.тр. VI межд. науч.-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики».- 23-24.10.2008.- Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2008.- С.129-132.
11. Ракутько, С.А. Энергетический анализ резервов энергосбережения в подвижных УФ облучательных установках // Материалы IV-й международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» кн.3 .- Барнаул: Изд-во АГАУ, 2009. –С.189-192.

До свидания!

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
28 queries. 0.101 seconds.