Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день в России насчитывается 187,3 тыс. фермерских хозяйств, 19 млн жителей имеют приусадебные и садово-огородные участки. Российские фермеры, согласно проведенным исследованиям, только на 65% обеспечены электроэнергией и на 50% водоснабжением. При опережающем росте тарифов и цен на электроэнергию по сравнению с ценами на сельхозпродукцию, доля затрат в себестоимости этой продукции возросла с 3…8 до 10…30%, а по некоторым видам – до 30…50% и более (теплицы, птицефабрики). Это отрицательно сказывается на производстве. Значительная часть предприятий становится убыточной, а некоторые перестают функционировать. Истощение запасов энергоресурсов и повышение цен на традиционные энергоносители способствуют повышению значимости возобновляемых источников энергии. По экспертной оценке, в сельском хозяйстве более 80% энергообеспечения может быть покрыто за счет возобновляемых ресурсов.
Повышение качества функционирования ветроэнергетических установок (ВЭУ) для электроснабжения с.-х. объектов по производству и переработке продукции влечет за собой повышение ее объема выпуска и качества. Одним из путей повышения качества функционирования ВЭУ является обеспечение требуемых показателей их надежности путем совершенствования системы технического обслуживания и ремонта, основанного на оптимизации времени восстановительных работ. С другой стороны, повышение качества функционирования ВЭУ возможно за счет совершенствования структуры и технических средств этих установок, которое связано с определенными экономическими затратами. Таким образом, возникает проблема достижения разумного компромисса между показателями надежности и экономическими критериями функционирования ВЭУ. В связи с этим данное направление требует своего совершенствования и развития.
Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 гг. (Проблема IX - научное обеспечение повышения машинно-технологического и энергетического потенциала сельского хозяйства России), одобренной Межведомственным координационным советом по формированию и реализации программы 19.10.06 г. и Президиумом РАСХН 16.11.06 г.
Цель работы: повышение качества функционирования ветроэнергетических установок в растениеводстве путем обоснования их структуры, разработки технических средств и оптимизации времени восстановительных работ.
Задачи исследования
1. Обосновать взаимосвязь между показателями экономичности и надежности функционирования ВЭУ для обеспечения электроснабжения насосного оборудования.
2. Разработать модели надежности ВЭУ для основных графов ее состояний.
3. Разработать методику оптимизации времени восстановительных работ ВЭУ в растениеводстве.
4. Разработать структуру ВЭУ и инвертор, обеспечивающие повышение экономической эффективности функционирования ВЭУ.
5. Установить статистические характеристики скорости ветра и колебания грунтовых вод в районах Челябинской области.
Объектом исследования является метод оптимизации времени восстановления работоспособности ВЭУ и процесс ее испытания с разработанным инвертором.
Предметом исследования являются закономерности, связывающие экономические критерии качества функционирования ВЭУ, коэффициент готовности и время восстановления, а также величину инвестиций в разрабатываемый инвертор.
Научная новизна основных положений, выносимых
на защиту:
1. На основе предложенной модели, связывающей показатели надежности и экономичности функционирования ВЭУ, определено оптимальное время восстановления работоспособного состояния ВЭУ.
2. Разработана модель надежности ВЭУ для стационарного участка ее работы, позволяющая получить численное значение коэффициента готовности.
3. Предложены технические решения структуры ВЭУ и принципиальной электрической схемы инвертора, обеспечивающие экономическую эффективность функционирования ВЭУ.
4. Доказана целесообразность использования бета-трапециаль-ного закона, позволяющего более точно описать распределение скорости ветра районов Челябинской области по сравнению с вейбулловским.
Практическая ценность работы и реализация
ее результатов
Разработанные модели надежности позволяют получить значения коэффициента готовности для двух основных графов состояний ВЭУ и произвести комплексную оценку этой надежности.
Предложена функциональная зависимость между показателями экономичности и надежности, которая легла в основу разработанного метода оптимизации времени восстановительных работ ВЭУ.
Разработанный инвертор при одинаковых параметрах надежности в сравнении с существующими имеет значительно меньшую стоимость. Экономический эффект от внедрения инвертора составляет 7,5 тыс. руб. в год.
Доказана целесообразность использования бета – трапециального распределения скорости ветра, учитывающего вероятность существования штиля, при выборе мощности генератора ВЭУ, и получены численные значения параметров этого распределения для районов Челябинской области.
Получены статистические характеристики колебания грунтовых вод зоны интенсивного водообмена для районов Челябинской области, служащие для выбора мощности электронасосного оборудования, электроснабжение которого производится от ВЭУ.
Для практических расчетов оптимального времени восстановления работоспособности ВЭУ предложены алгоритм и программа расчета на ЭВМ.
Методика оптимизации времени восстановительных работ, внедренная в ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого г. Кирова, обеспечивает рациональное соотношение между экономичностью и надежностью функционирования ветроэнергетических установок, используемых на садово-огородных, фермерских и других производственных предприятий отрасли растениеводства.
По результатам исследований в 2003 г. получен диплом победителя конкурса исследовательских проектов молодых учёных вузов Челябинской области на тему «Ветроэнергетическая установка».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований обсуждались на XLI – XLVI международных научно-технических конференциях Челябинского государственного агроинженерного университета 2002 – 2008 гг.; на 5-й международной научно-технической конференции Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства «Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология» (г. Москва, 2006 г.); на ХХIII школе-семинаре Марийского государственного университета «Методы и средства технической диагностики» (г. Йошкар-Ола, 2006 г.); на 12-й международной конференции института сельскохозяйственной инженерии Литовского сельскохозяйственного университета «Технический и технологический прогресс в сельском хозяйстве» (г. Каунас, 2007 г.).
Публикации по результатам работы. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе два патента на изобретение и один патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 195 стр. машинописного текста, включает 24 рисунка, 22 таблицы, список литературы из 170 наименований и 11 приложений.
