Введение к работе
Актуальность работы. Проблема энергосбережения является одной из самых актуальных в современном мире, её решению развитые страны уделяют большое внимание.
Особо наглядно эта проблема проявляется в области использования энергии оптического излучения (ОИ). Так, объем энергопотребления на цели освещения в России составляет, по различным оценкам, около 14 % от всей вырабатываемой электроэнергии, что свидетельствует о масштабе проблемы и эффективности любых разумных мер по ее решению.
Пример из области светотехники показывает следующие резервы повышения эффективности использования энергии ОИ в нашей стране: в США норми-руемая установленная мощность на 100 лк освещенности составляет 2,5 Вт/м , в России - 7 Вт/м .
Сегодня имеются практически все возможности для решения любых задач применения ОИ; более того, наличие большого многообразия технических средств (источников света, световых приборов, ПРА, электронных систем управления освещением) формирует новые принципы и приемы техники применения ОИ, невозможные несколько лет назад.
И, тем не менее, обеспечение энергосбережения при использовании ОИ (особенно в отраслях АПК) не сводится только к применению эффективных светотехнических изделий: люминесцентных ламп нового поколения, электронных ПРА, качественных световых приборов светодиодов и другим новациям. Это более комплексная проблема, которую можно обозначить как научную. Можно указать две важнейших составляющих этой проблемы.
Прежде всего, отсутствует прикладная научная теория, имеющая свой специфический язык, адекватно описывающий энергетику сельскохозяйственного объекта, позволяющая формулировать практически значимые выводы, обосновывать конкретные энергосберегающие решения и направленная на обслуживание задач энергосбережения. В настоящее время в области применения ОИ в АПК используются методы светотехники, основанные на геометрическом моделировании световых полей (Гершун, 1939 г). Однако они не подразумевают рассмотрение энергетики процессов, происходящих в системе, поэтому не могут служить основой энергосбережения.
Другой составляющей научной проблемы следует отметить традиционно сложившийся взгляд на облучение лишь как на один из факторов других технологических процессов. Однако ОИ как вид энергии обладает следующими важнейшими особенностями.
Во-первых, использование энергии 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 его специфическому действию на клеточном и молекулярном уровнях в биологических объектах.
Во-вторых, распространение ОИ происходит линейно при постоянстве передаваемой мощности по оси угла распространения, но уменьшении плотности по площади нормального сечения.
В-третьих, распределение энергии ОИ следует учитывать не только по пространственным координатам и по времени, но и по спектру, т.е. в зависимости от длины волны излучения.
Кроме того, применяемые источники излучения все еще имеют недостаточную эффективность, что еще на этапе проектирования облучательной установки задает высокую стоимость лучистой энергии.
Отмеченные особенности ОИ требуют особого рассмотрения энергетики процессов, происходящих на всех этапах преобразования излучения и служат основой для представления облучения как особого технологического процесса. Первоочередное значение приобретает здесь эксплуатационное энергосбережение, направленное на оптимизацию способов проведения технологического процесса облучения (ТПО).
В перспективе развитие оптических электротехнологий (ОЭТ) в АПК является наиболее наукоемким направлением. По различным оценкам, потери электроэнергии в них превышают половину отраслевых потерь всех электроустановок при доле потребляемой энергии 20%. В связи с этим, энергосбережение в ОЭТ АПК является важнейшей проблемой отраслевой энергетики, для решения которой необходимо соответствующее научно-методическое обеспечение, направленное на снижение энергоемкости всех технологических процессов, связанных с применением ОИ.
Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой программой «Энергоэффективная экономика на 2002 -2005 гг. и на перспективу до 2010 года», утвержденной постановлением правительства РФ №796 от 17.11.2001 года, а также раздела 13 «Энергосбережение» по плану научно-исследовательской работы Дальневосточного ГАУ (г.Благовещенск) на период 2005-2010 гг.
Цель работы. Повышение эффективности ОЭТ в АПК путем снижения энергоемкости этапов технологического процесса облучения на основе разработки эксплуатационных энергосберегающих мероприятий.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
-
Разработать научные положения прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах (ЭТП) АПК, адекватно описывающей энергетику сельскохозяйственного предприятия с учетом биологического характера объектов воздействия применяемых энерготехнологий.
-
Определить универсальный параметр, позволяющий характеризовать ЭТП вне зависимости от их видовых особенностей.
-
Обосновать критерий и разработать методику оптимизации ЭТП.
-
Рассмотреть особенности ТПО как важнейшего вида ЭТП. На основе разработанной теории разработать частные методики энергетического анализа этапов ТПО.
5. Провести экспериментально-теоретические исследования характерных
элементов ТПО (источников излучения (ИИ), облучаемых объектов, компоно
вочных схем) как эмпирическую базу разработанной теории.
6. Разработать практические методы энергосбережения в ОЭТ, направлен
ные на эксплуатационное энергосбережение при проведении ТПО.
Объект исследования. Оптические электротехнологии АПК.
Предмет исследования. Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы электротехники, теоретической светотехники, геометрической оптики, фотометрии и фотограмметрии с использованием современной измерительной аппаратуры и программно-технических средств.
Достоверность результатов работы. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационном исследовании, базируются на теоретических положениях и научных принципах, разработанных ведущими учеными по фундаментальным и прикладным аспектам электрификации с.х. производства. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными.
Научная новизна исследований.
Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых знаний:
-
Установлено, что энергетика сельскохозяйственного предприятия с учетом биологического характера объектов воздействия применяемых энерготехнологий представляет собой искусственную биоэнергетическую систему (ИБЭС).
-
Доказано, что определяющей характеристикой энергетических блоков ИБЭС вне зависимости от происходящих в них процессов является величина энергоемкости.
-
Показано, что оптимизация ИБЭС в рыночной среде сводится к минимизации энергоемкости ее элементов.
-
Предложено понятие технологического процесса облучения (ТПО) как последовательности этапов преобразования энергии. Предложена концепция виртуального энергетического блока (ВЭБ) как участка ТПО, на котором энергия передается в виде поля ОИ. Разработаны частные методики энергетического анализа ТПО как одного из видов ЭТП.
-
Полученные результаты экспериментально-теоретических исследований характерных элементов ТПО являются основой проектирования установок и процессов ОЭТ.
-
Разработанные практические методы эксплуатационного энергосбережения в ОЭТ являются инновационными и основаны на снижении энергоемкости этапов ТПО.
Новизна технических решений имеет изобретательский уровень.
Практическая значимость работы. Разработанное научно-методическое обеспечение энергосбережения позволяет оценить и реализовать резервы энергосбережения в этой области и может быть использовано при оценке эффек-
тивности конкретных энергосберегающих мероприятий как ЭТИ АПК в целом, так и в ОЭТ в частности.
Внедрение результатов исследований.
- результаты исследований характеристик источников излучения приняты
СКБ Агрофизического института (г.Санкт-Петербург, 1992 г.) для использова
ния в экспериментальном производстве при модернизации действующих и раз
работке новых климатических камер для растений с целью повышения эффек
тивности использования электроэнергии в светоустановках;
-технические, программные, методические средства оптимизации радиационного режима растений приняты к использованию при эксплуатации облуча-тельных установок в микроклиматическом комплексе НИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова (г.Павловск, 1992, 2008 гг.);
результаты исследований в виде рекомендаций по расчету спектральных и энергетических режимов светоустановок приняты к использованию институтом Гипронисельпром (г.Орел, 1992 г.) при выборе режимов эксплуатации облуча-тельных установок с целью повышения эффективности использования электроэнергии в условиях интенсивной светокультуры;
разработанная система энергосбережения испытана в производственных условиях (ООО Амурагроцентр, г.Благовещенск, 2009 г.);
разработанные методики и рекомендации по энергосбережению внедрены в хозяйствах Амурской области (2008 - 2099 гг.);
материалы исследований используются в учебном процессе на кафедрах Применения электроэнергии в АПК Дальневосточного ГАУ и Энергообеспечения производств Санкт-Петербургского ГАУ при выполнении курсовых и дипломных работ, НИР студентов (1993-2009 гг.).
Акты приемки и внедрения результатов исследований приведены в приложении к диссертации.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Прикладная теория энергосбережения в ЭТП АПК;
-
Принципы и методики энерго-, фото- и биоэнергетического анализа этапов ТПО;
-
Способ энергосбережения, заключающийся в определенном алгоритме выбора энергосберегающих мероприятий на каждом этапе многостадийного ЭТП.
-
Система энергосбережения в ЭТП, основанная на непрерывном мониторинге мгновенного значения энергоемкости.
Совокупность разработанной теории, принципов, методов и технических средств является решением крупной научной проблемы по обеспечению энергосбережения в АПК.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических (НТК) и научно-практических (НПК) конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАУ (Санкт-Петербург, 1991-1992, 2009 гг.) и ДальГАУ (г.Благовещенск, 1993-2009 гг.), на НТК «Неотложные вопросы с.-х. светотехники» (г.Харьков, 1991 г.); Всесоюзном научно-теоретическом се-
минаре «Нетрадиционные электротехнологии в с.-х. производстве и быту села» (Крым, 1991 г.); Межд. НТК, посвященной 100-летию ВИР, г. Санкт-Петербург (1994г); Межд. НТК «Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК» (г.Орел, 2008); Межд. НПК «Преподаватель высшей школы в XXI веке» (г. Ростов на Дону, 2008); Межд. НПК «Совместная деятельность сельскохозяйственных товаропроизводителей и научных организаций в развитии АПК Центральной Азии» (Иркутск, 2008); Межд. НПК «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, практика применения» (г.Улан-Удэ, 2008); Межд. НПК «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (г.Барнаул, 2008); Межд. НТК «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г.Москва, ВИЭСХ, 2008); Межд. НПК «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И.Вернадского» (г.Тамбов, ТГТУ, 2008); VI Межд. НТК «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (г.Саранск, Мордовский ГУ, 2008); Национальной светотехнической конференции (Интернет-формат, 2009); 5-ой Межд.научной Российско-Иранской конф. (Санкт-Петербург, 2009); Joint International Agricultural Conference (Wageningen, Niderland, 2009); VI Международной светотехнической конференции Lux Pacifica (Thailand, Bangkok, 2009);.
Научно-методические основы работы.
Вопросам энергосбережения в различных отраслях АПК посвящены работы А.М.Башилова, М.М. Беззубцевой, В.Н. Бровцина, А.П. Епифанова, Ф.Д. Косо-ухова, В.Н. Судаченко, A.M. Худоногова. Исследованиями Л.К. Алферовой, Р.Ф.Афанасьевой, С.А. Овчуковой, Е.Н. Живописцева, Ю.М. Жилинского, В.Н. Карпова, О.Ю.Коваленко, В.А. Козинского, Н.П.Кондратьевой, О.А. Косицина, Г.М. Кнорринга, Я.А. Кунгса, Г.М.Лисовского, Е.И.Мудрака, Л.Б.Прикупца, Г.С. Сарычева, Ф.Я.Сидько, А.К. Лямцова, И.И.Свентицкого, А.А.Тихомирова, И.К.Хузмиева, Н.В.Цугленка, В.П.Шарупича, И.З.Щура и других решен ряд теоретических и прикладных задач в области использования ОИ в с.-х. производстве. Сформулированные, обоснованные и предсказанные ими пути интенсификации производственных процессов и рационального использования энергетических и материальных ресурсов при производстве с.-х. продукции положены в основу данного диссертационного исследования, которое является продолжением нашей работы над кандидатской диссертацией, выполненной в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете в 1989-1992 гг.
Место выполнения работы. В диссертации приведены результаты исследований, проводившихся лично соискателем и при его непосредственном участии в отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры электротехнологии в с.-х. СПбГАУ под руководством проф. В.Н.Карпова (1989 - 1992 гг). Основная часть выполнялась по месту работы автора в Дальневосточном государственном аграрном университете (1992-2007 гг). Свое дальнейшее развитие работа получила во время обучения автора в докторантуре при кафедре ЭОП СПбГАУ (2008-2009 гг). Внедрение результатов работы производилось в хозяйствах Амурской области (2008-2009 гг).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 107 печатных работах автора, (из них 17 - в рецензируемых научных журналах и изданиях), в том числе в одном авторском свидетельстве СССР, 10 патентах России, одной монографии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.
