Содержание к диссертации
Введение
1 Существующие электротехнологии и электрооборудование гелиоводоподогрева для животноводческих объектов 11
1.1 Аналитические исследования технологии горячего водообеспечения коровников 11
1.2 Аналитические исследования природы разветвлённой поверхности и различных гелиоустановок для нагрева воды 16
1.3 Существующие электроводонагреватели с системами управления для горячего водоснабжения животноводческих объектов с возможностью использования в качестве дублёров в системах гелиоводоподогрева 34
1.4 Аналитические исследования путей повышения эффективности работы гелиоколлекторов 45
1.5 Цель и задачи исследований 58
1.6 Выводы 58
2 Теоретическое обоснование совершенствования автоматизированной энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабжения животноводческих объектов 60
2.1 Математическая модель поглощения оптической энергии разветвлённой поверхностью приёмника энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабжения животноводческих объектов 60
2.2 Повышение эффективности поглощения энергии солнечного излучения поверхностью гелиоколлектора как объектом с многократными отражениями 65
2.3 Предпосылки разработки автоматизированного комплекса энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабжения животноводческих объектов 68
2.4 Выводы 79
3 Программа и методика проведения исследований по определению эффективности использования разветвлённой тепловоспринимающей поверхности энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабжения животноводческих объектов 80
3.1 Программа проведения исследований по определению эффективности использования разветвлённой тепловоспринимающей поверхности энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабжения животноводческих объектов 80
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований модуля системы автономности и энергосбережения водоподогрева в животноводческих объектах на основе использования возобновляемых источников энергии 87
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований ячеисто вогнутой поверхности гелиоколлектора. 104
3.4 Методика исследования опытных образцов, имитирующих тепловоспринимающую поверхность гелиоколлектора 108
4 Экспериментальные исследования электротехнологии и компонентов энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабжения животноводческих объектов 113
4.1 Модель интенсивности нагрева опытных образцов при разном диаметре и плотности нанесения ячеек 113
4.2 Оптимизация зависимости интенсивности нагрева опытных образцов от диаметра и плотности нанесения полусфер на их поверхность 116
4.3 Сравнение средних значений времени нагрева опытных образцов, имеющих плоскую и ячеисто-вогнутую тепловоспринимающую поверхность 121
4.4. Сравнение динамики нагрева опытных образцов в естественных погодных условиях 136
4.5 Реализация системы управления и автоматизации гелиоводоподогрева 139
4.6 Выводы 151
5 Технико – экономическое обоснование внедрения энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабженияживотноводческих объектов 154
5.1 Расчет стоимости разработки и изготовления энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабжения животноводческих объектов 154
5.2 Расчет эксплуатационных расходов на обслуживание гелиоэлектрической системы 159
5.3 Расчет экономической эффективности внедрения гелиоэлектрической системы 162
5.4 Выводы 167
Общие выводы 168
Литература
- Аналитические исследования природы разветвлённой поверхности и различных гелиоустановок для нагрева воды
- Повышение эффективности поглощения энергии солнечного излучения поверхностью гелиоколлектора как объектом с многократными отражениями
- Методика проведения экспериментальных исследований модуля системы автономности и энергосбережения водоподогрева в животноводческих объектах на основе использования возобновляемых источников энергии
- Оптимизация зависимости интенсивности нагрева опытных образцов от диаметра и плотности нанесения полусфер на их поверхность
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Одним из уязвимых мест рыночной экономики России является энергетическая составляющая сельскохозяйственного сектора, использующего в свом составе установки, работающие за счт преобразования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Вызвано это сложностями в поставках нового импортного оборудования, комплектующих для него, а так же нестабильностью валютного рынка. Россией был взят курс на импортозамещение, что послужило толчком для развития давно «простаивающего» аграрного сектора и рынка «зелной энергии». Первые шаги в этом направлении были сделаны органами власти РФ, внеся поправки в государственные программы развития экономики и с целью минимизации потерь: «Программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельхозпродукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы», с последними поправками внеснными 19 декабря 2014 года №1421; «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2024 года» и с изменениями от 10 ноября 2015 года №2279-р., «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» (с пролонгацией в 2014 г. до 2035 г.)
Актуальность данной работы состоит в создании энергомких, компактных и конкурентно способных установок, в частности гелиоэлектриче-ских систем, способных повысить эффективность использования солнечной энергии.
Степень разработанности. Наиболее значительный вклад в развитие гелиотехники, внесли такие учные как: Стребков Д.С., Тверьянович Э.В., Трушевский С.Н., Майоров В.А, Григораш О.В., Амерханов Р.А., Бутузов В.А., Безруких П.П., Тарнижевский Б.В, Попель О.С., Воронин С.М., Газалов В.С., Юдаев И.В., Никитенко Г.В., Коноплев Е.В., Эрк А.Ф., а также учные стран ближнего и дальнего зарубежья: Авезов P.P., Бекман У.А., Даффи Дж.А., Зоколей С., Казанджан Б.И., Твайделл Дж., Уэйр А. и др.
Однако недостаточная изученность закономерностей распределения солнечной энергии на развитой тепловоспринимающей поверхности с последующим поглощением ввиду появления многократных отражений, делает исследования в этом направлении особенно актуальными. Вопросы автоматизации процесса гелиоводоподогрева, рассматриваемые представленными ранее авторами, были сведены преимущественно к управлению отбором воды, что не позволяет в полной мере судить о качестве работы установки, накоплении и передаче полученных в ходе работы данных для их дальнейшего анализа и усовершенствования средств автоматизации и конструктивных особенностей гелиоколлектора.
Цель работы: повышение эффективности систем горячего водоснабжения животноводческих объектов, за счт более полного использования солнечной энергии.
Задачи исследований:
-
Провести анализ существующих электротехнологий и оборудования для гелиоэлектроподогрева воды, применяемых для животноводческих объектов;
-
Разработать математическую модель поглощения солнечной энергии, падающей на разветвлнную поверхность примника гелиоэлектри-ческой системы автономного горячего водоснабжения животноводческих объектов;
-
Оптимизировать форму поверхности абсорбера в гелиоколлекторе;
-
Разработать автоматизированную систему контроля и управления работой оборудования гелиоэлектронагревательной установки со сбором, сохранением и передачей информации.
-
Произвести расчт экономической эффективности разработанной энергосберегающей гелиоэлектрической системы горячего водоснабжения.
Объект исследования: технические и технологические параметры гелиоколлектора с системой контроля и управления его работой со сбором, сохранением и передачей информации, для животноводческих объектов.
Предмет исследования: закономерности распределения энергетических потоков на тепловоспринимающей поверхности гелиоколлектора, а также их преобразование и влияние на работу гелиоколлектора с целью повышения его КПД.
Научная гипотеза: появление многократных отражений на поверхности абсорбера гелиоколлектора позволяет более полно поглощать поступающую солнечную энергию.
Рабочая гипотеза: совершенствование конструкции энергосберегающей гелиоэлектрической системы позволяет эффективнее поглощать солнечную энергию благодаря возникновению многократных отражений на тепло-воспринимающей поверхности абсорбера.
Научная новизна состоит в:
– получении математической модели поглощения оптической энергии разветвлнной поверхностью примника гелиоколлектора при многократных отражениях;
– получении энергетических характеристик элементов гелиоколлекто-ра, в частности оптимизации поверхности абсорбера по диаметру и плотности нанесения на его поверхность полусфер;
– экспериментально–теоретическом описании энергосберегающей технологии гелиоэлектроподогрева воды на основе новых конструкторско-технических решений.
Теоретическую и практическую ценность представляют:
– описание характера и энергетическая составляющая распределения от-ражнных солнечных лучей на тепловоспринимающей части гелиоколлектора;
– методика определения оптимального соотношения количества и параметров формы нанеснных на тепловоспринимающую часть абсорбера поверхностей для наилучшего сбора энергии;
– конструктивная особенность и сочетание элементов, входящих в состав гелиоколлектора;
– разработанная система автоматизированного управления гелиоэлек-троподогревом воды.
Методология и методы исследований: в работе использованы методы системного анализа, элементы математической статистики, теории планирования экспериментальных исследований и регрессионного анализа, методы энергетических и светотехнических расчтов. Обработка экспериментальных данных произведена с применением специализированного программного обеспечения.
На защиту выносятся следующие основные положения:
– математическая модель поглощения оптической энергии разветв-лнной поверхностью примника гелиоколлектора;
– параметры оптимизация поверхности абсорбера в гелиоколлекторе по диаметру и плотности нанесения на его поверхность полусфер;
– технические решения по автоматизации гелиоколлектора с целью создания системы управления и контроля за качеством его работы, со сбором, сохранением и передачей информации с энергосберегающего оборудования гелиоэлектрической водонагревательной установки.
Реализация результатов исследования. Изготовлен и установлен в К(Ф)Х «Контакт» опытный образец модуля коллектора с многократными поглощениями солнечного излучения и разработаны рекомендации по изготовлению гелиоводонагревательной установки внутрихозяйственным способом. Выполнена модернизация и реконструкция гелиоустановки для ФГУП «Экспериментальное» Россельхозакадемии (Ростовская обл.).
Степень достоверности и апробация работы обеспечена точным соблюдением методики экспериментальных исследований, объмом полученных статистических данных (экспериментальных) и их достаточной сходимостью с теоретическими, рациональным применением основных положений теоретических основ энергетики, светотехники, электро- и теплотехники, корректностью используемых методик исследования и проведнных расч-тов. Экспериментальные исследования проводились с применением современных, поверенных, цифровых технических средств измерения.
Основные результаты исследования доложены и опубликованы на международных научно-практических конференциях ФГБНУ СКНИИМЭСХ в 2013-2014 гг., г. Зерноград; на Донской аграрной научно-практической конференции ФГОУ ВПО АЧГАА в 2012 г., г. Зерноград; на 6-й Междунар. науч.-практ. конференции в рамках 16-й Междунар. агропромышленной выставки «Интерагромаш-2013», г. Ростов-на-Дону; на 9-й Междунар. науч.-практ. конференции в рамках 19-й Междунар. агропромышленной выставки «Интерагромаш-2016», г. Ростов-на-Дону; на международной научно-технической конференции «Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий», г. Москва. Установка экспонировалась на выставке, проводимой в рамках молодежного инновационного конвента в 2014-2015 гг., г. Ростов-на-Дону; на международной агропро-
мышленной выставке «Интерагромаш» в 2013г. и 2016г., Ростов-на-Дону; на выставке, проводимой в рамках окружного образовательного молодж-ного форума «Ростов-2014. Твой мир в движении» в 2014 г., Неклиновский район, Ростовской области, награждена дипломами.
Публикации. Автором опубликовано 14 научных работ, 5 из которых в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получено 2 патента на изобретение и 1 на полезную модель, издана 1 монография. Общий объем публикаций 20,38 печ. л., из которых 7,36 печ. л. принадлежат лично автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения, списка использованной литературы, включающего 157 наименований, в том числе 8 на иностранных языках. Диссертация содержит 194 страницы основного текста, 49 рисунков, 21 таблицу и 9 приложений на 16 страницах.
Аналитические исследования природы разветвлённой поверхности и различных гелиоустановок для нагрева воды
Известно, что листья любых растений ориентированы на местности так, чтобы на их поверхность приходилось максимум солнечного излучения в течение светового дня. Рассмотрим основные отличия в структурах листьев светолюбивого и тенелюбивого растения, а также особенности их размеров, форм и расположения по отношению к солнцу. Светолюбивые растения имеют, чаще всего, небольшие размеры листовых пластинок, они равносторонние и распределены так, чтобы в процессе получения солнечного энергии не возникало перекрывания света (эффект мозаики). Угол их расположения стремиться к вертикальному положению с целью получения на своей поверхности скользящих лучей, и может подстраиваться, меняя своё положение, в процессе жизнедеятельности, относительно высоты расположения солнца. Как правило, листья у светолюбивых растений более утолщённые, что связанно с особенностью их строения, выражённой в наличии мелкоклеточной столбчатой и губчатой паренхимы, хорошо развитой кутикулы и большим числом устьиц. Поверхность листовой пластинки имеет небольшую отражающую и рассеивающую способность (блеск) вследствие белёсого опушения (волосков) или образованного воскового налёта, это связанно с их физиологической особенностью, направленной на защиту от прямых солнечных лучей и последующего перегрева. Лист у гелиофитов более жёсткий за счёт развитых механических тканей в виде густо расположенной сети жилок, которые активно участвуют в процессе транспирации и защищают лист от травм, полученных в ходе воздействия на него ветровых либо других механических нагрузок. Рассмотрим более подробно приспособления для переноса жидкости в листе, а именно развитую структуру жилок. Они представляют собой самую экономичную схему трубопроводов и помогают растению поддерживать баланс влагосодержания. Проводя аналогию к солнечным установкам по нагреву воды, выделим ряд интересующих нас конструктивных особенностей, таких, как глубина, на которой находятся жилки внутри листовой пластинки относительно светоактивной поверхности, густота их расположения, соотношение размеров, угловых переходов (разветвление), принцип рециркуляции (перемещения водных масс). Цвет листьев зависит от количества содержащегося в клетках зеленого пигмента, известного как хлорофилл (оранжево-желтые пигменты – каротин и ксантофилл, сине-красный пигмент – антоциан). На образование хлорофилла влияют множество факторов: плодородность почвы, влажность, температура (сезонность), ассимиляционная деятельность листьев, но самым главным фактором является освещённость. Поэтому окрас листьев тенелюбивых растений более выраженный и имеет тёмные, матовые зелёные цвета, а у светолюбивых соответственно наоборот, более светлые глянцевые оттенки зелёного, что позволяет оптимизировать процессы жизнедеятельности и поддержание нужного теплового баланса. Ещё одним интересным фактором выступает полное изменение окраса листьев при изменении продолжительности солнечной активности и температурных режимов в зависимости от времени года. Аналогией к выше сказанному является выбор свойств и цветов селективных покрытий, наносимых на активную часть гелиоколлекторов в зависимости от времени года, структуры самой поверхности и степени её шероховатости. Конечным решением будет являться улучшенное поглощение теплового спектра солнечного излучения.
Листья светолюбивых растений часто имеют выпуклости, вогнутости, нелинейности в своём строении, тем самым образовывая хаотичную форму своей поверхности, в отличие тенелюбивых, у которых листья плоские и гладкие. Наличие данных характеристик у тенелюбивых растений связанно с получением небольшого количества солнечного света и повышенной влажностью [58]. В техническом плане точно повторить такого рода поверхности практически невозможно. Но некоторые, часто повторяющиеся закономерности в строении листовых пластин возможно в полной мере реализовать благодаря математическому и физическому моделированию. Конечным итогом будет являться упорядоченная система элементов поглощающей поверхности. Каждый элемент должен отражать в себе те свойства, которые будут способствовать лучшему поглощению и преобразованию тепловой энергии в гелиоколлекторах. Их частичная или полная реализация позволит как усовершенствовать, так и изготавливать совсем новые типы солнечных систем. Конечным результатом данного рода исследований будут являться гелиоколлекторы, идеализированные по способности преобразования и поглощения максимального количества солнечной энергии, приходящей на поверхность установки в течение всего светового дня.
Из выше сказанного отчётливо прослеживается тенденция, связанная с влиянием света на форму и строение листьев растений. В подтверждение этому, можно сравнить категории разных видов растений (их листьев), территориально по карте мира в зависимости от количества солнечных дней в году, средних температур и процента влажности [61]. Получиться, что при приблизительно одинаковых показателях будут находиться различные виды растений с похожими формами строения и жизненными функциями. Ещё одной особенностью растений является их эволюционная составляющая (постепенное перестроение жизненно необходимых механизмов при быстро меняющимся климате для нормального, а порой лучшего дальнейшего существования в данной климатической зоне).
Влияние освещённости подтверждается еще способностью многих растений приспособлять свое анатомическое строение и, главным образом, строение своих листьев к разным условиям освещения, а так же к повышенным температурам. К примеру, лист бука имеет на солнце иное строение, чем лист того же бука в тени. При больших температурах влага существенно испаряется из листа растения, а если само растение не успевает пополнять нужные запасы для продолжения нормальной жизнедеятельности, то происходит так называемый процесс увядания с последующим полным или частичным отмиранием живых клеток. Защитной реакцией (механизмом) к большим температурам, возникающим на поверхности листовой пластинки или временным промежуткам, когда воздух сухой и температура выходит за рамки обычной, у листьев является изменение своей формы, другими словами можно охарактеризовать этот процесс как процесс экономии. Листья поворачиваются к свету своими оборотными сторонами, имеющими белёсые оттенки, меняют свой угол расположения, форму, что позволяет увеличить коэффициент отражения тепловой составляющей солнечного луча и оптимизировать жизненные функции в самом растении.
Повышение эффективности поглощения энергии солнечного излучения поверхностью гелиоколлектора как объектом с многократными отражениями
Основываясь на достоинствах и недостатках тех или иных типов водонагревателей, можно создать систему более совершенную систему водонагрева солнечной энергией и избавить её от недостатков описанных выше установок [118]. Так как гелиоустановка чаще всего накапливает полученную в ходе нагрева воду, то это делает процесс ее работы сравнимым с работой электрических водонагревателей бойлерного (накопительного) типа [119]. Но при этом наследуются и их прямые недостатки: громоздкость оборудования, сложность с поиском мест установки, ограниченность объёма бака, возникающие в ходе поддержания температуры нагретой воды потери теплоты, что негативно сказывается на энергетическом балансе помещения, в котором расположена нагревательная установка, существует вероятность развития в баке болезнетворных бактерий. Наряду с недостатками у гелиоустановок имеются и достоинства, такие как сравнительно небольшая мощность, в случае с переоборудованием (добавлением в состав гелиоколлектора) не потребуются дополнительные затраты, простой монтаж и подключение, наличие большого запаса воды, возможность одновременного использования нескольких водоразборных точек, нет необходимости в высоком и устойчивом давлении в водопроводе, напряжение электросети не обязательно должно быть стабильным. Солнечную установку по нагреву воды можно также адаптировать под принцип работы проточных электроводонагревателей, причем в качестве нагревательного элемента будет выступать абсорбер гелиоколлектора. Но в этом случае доработка данной системы неизбежна, так как в отличие от трубчатых электрических нагревателей с мощностью 3-27 кВт, гелиоколлектор нагревает воду намного медленнее и температура нагрева сравнительно мала. Так же потребуется дополнительная установка термоса (накопительной ёмкости), что существенно усложнит и удорожит дальнейшую его работу, а также потребует установки нагревательных элементов, работа которых будет происходить при поддержании требуемой температуры в термосе и аварийных режимах работы данного устройства. Лучшим решением будет использование гелиоколлектора для водоподготовки, т.е. осуществлять предварительный нагрев необходимо в соответствии с текущим состоянием солнечной инсоляции, тем самым будет происходить существенная экономии электрической энергии.
Достоинства данного рода устройств плавно вытекают из недостатков накопительных устройств и наоборот, поэтому заострять внимание на этом не следует. Осуществить задачу по наладке и автоматизации управления такой системы будет намного сложнее в сравнении с ранее рассмотренной солнечной накопительной системой и экономически нецелесообразно, поэтому рекомендуется выбор сделать в пользу первой. Задачей рассмотрения данного вида устройств являлось выявление наилучшей «связки» электроводонагреватель - гелиоколлектор, с целью дальнейшей автоматизацией в соответствии с нынешнем уровнем развития техники, так как используемые в обзоре технические средства системы управления электроводонагревательных установок устарели и не позволяют в полной мере осуществлять качественную работу по нагреву теплоносителя, а также осуществлять дальнейшую модернизацию нагревательных установок. Разработка автоматизированного комплекса позволит наладить взаимодействие между гелиоколлектором и его дублёром (электроводонагревателем), установить контроль за получением большого количества данных по их совместной работе, которые могут быть использованы в научных, экономических (расчёт прибыли) целях, а также для дальнейшей оптимизации процесса гелиоэлектроводоподогрева. Это позволит контролировать возможные поломки (путём предупреждения о скором выходе из строя, либо предоставлять методы решения), проверять качество воды, вести диагностику работы устройств, выявлять их слабые места, производить доработки непосредственно на работающем устройстве без каких либо потерь, осуществлять передачу данных как на запоминающее устройство, так и на удалённый сервер, по которому дополнительно есть возможность вести анализ и контроль за работой оборудования, исключая при этом затраты на выезды персонала и сокращая рамки технического обслуживания, если оно было ранее предусмотрено. В работе с разными типами поверхности представлять возможность более раннего включения в работу устройств догревателей тем самым существенно экономить электроэнергию в утренние и вечерние часы. Будет обеспечена возможность совместного использования дополнительных резервных источников, например, работающих за счёт преобразования солнечного излучения (солнечные электростанции) или других видов энергии. Данный комплекс позволит увеличить срок службы оборудования и повысить КПД установки в целом.
Методика проведения экспериментальных исследований модуля системы автономности и энергосбережения водоподогрева в животноводческих объектах на основе использования возобновляемых источников энергии
Исследования по нагреву воды солнечной энергией осуществлялись с использованием гелиоэлектрического модуля. Гелиоэлектрический модуль (рис.3.2) включает в себя основные конструктивные элементы: 1. Модульный гелиоколлектор; 2. Насос с системой водопроводов; 3. Накопительные баки с нагревательными элементами и с элементами системы автоматики.
Для оценки эффективности функционирования гелиоэлектрического модуля необходимо выявить закономерности работы всех элементов, входящих в его состав. Поэтому на первом этапе исследований будут определяться рациональные энергетические, технологические параметры и режимы работы гелиоколлектора на разработанной лабораторной установке для экспериментальных исследований образцов оборудования инновационной энергосберегающей системы автономности энергоснабжения животноводческих объектов на базе гелио-модулей.
Разработка лабораторной установки связана с необходимостью создания и экспериментального исследования образцов оборудования для системы автономного энергообеспечения животноводческих объектов на базе гелиомодулей и обусловлена потребностями эффективного теплоэнергоснабжения животноводческих объектов, работающих в природно-климатических зонах с низкоинтенсивной и непродолжительной во времени солнечной активностью. На основе проведения предварительных опытов выявляются режимы работы, производится подбор и обоснование необходимых элементов конструкции энергосберегающей гелиоэлектрической системы и определяется наиболее рациональная ее компоновка. При формировании требований к конструкциям и функциональным возможностям гелиомодулей горячего водоснабжения, при подборе элементной базы и выполнении сборки установок должны учитываться особенности географического расположения животноводческих объектов (основным ориентиром при этом служат интенсивность солнечной инсоляции и углы солнцестояния, характерные для данного региона) и уровень социально-экономической освоенности территорий.
Необходимость проведения экспериментальных исследований на лабораторной установке в комнатных условиях при искусственных источниках теплового излучения, имитирующего солнечное, связана с тем, что в реальных природно-климатических условиях опыты могут быть затруднены из-за непостоянства погоды и ее изменения в целом во времени, невозможности соблюдения требований к точности размещения установок на местности, и ограниченности режимов работы гелиоколлектора узким диапазоном солнечной активности, характерной только для исследуемого географического района, а также другими факторами.
Перечень варьируемых в лабораторной установке технологических параметров, а так же измеряемых и контролируемых в опытах факторов процесса гелиоводоподогрева закладывается при разработке установки, опираясь на статистические материалы, предоставляемые метеорологическими станциями данного региона за последние годы и с учётом производственных требований к процессам и оборудованию аналогичного назначения. Это облегчает в будущем разработку промышленных гелиоколлекторов и позволяет получать более точные данные, ориентированные на последующую эксплуатацию энергосберегающего оборудования в разных зонах исследуемого региона с максимальным использованием их потенциала. С учётом всего выше сказанного, была создана конструкция лабораторной установки для экспериментальных исследований составных элементов модульных гелиоколлекторов. Проведём обоснование выбора конструктивных элементов лабораторной установки. Начнём с источника излучения. Для экспериментальных исследований образцов оборудования системы автономного энергоснабжения животноводческих объектов на базе гелиомодулей требуется длительная фиксация потока излучения, падающего на тепловоспринимающую поверхность гелиоколлектора. В естественных условиях этого сделать не представляется возможным. Поэтому для опытного образца установки следует подобрать источник излучения, имитирующий заданные уровни облученности и экспозиции. От газоразрядных и светодиодных источников оптического излучения следует сразу же отказаться, так как регулирование потоков излучения их весьма затруднительно, диапазон возможных регулировок ограничен и не удовлетворяет требуемым для эксперимента значениям.
Для экспериментальных исследований образцов оборудования выберем источники оптического излучениях [79], основанные на тепловом излучении. Для выбора типа источника излучения проанализируем основные законы теплового излучения [134-136].
Основные законы теплового излучения сформулированы к абсолютно черному телу, под которыми понимается приемник оптического излучения, полностью поглощающий падающее на него излучение независимо от направления падения, спектрального состава и поляризации.
Оптимизация зависимости интенсивности нагрева опытных образцов от диаметра и плотности нанесения полусфер на их поверхность
Эффективность и экономическая целесообразность применения гелиосистем для покрытия нужд животноводческих объектов, как удалённых, так и имеющих постоянную связь с энергосетями, обуславливается наличием постоянного контроля над качеством их работы. Мониторинг основных показателей эффективности при помощи автоматизированных систем позволяет вести дальнейшую настройку оборудования, подстраивая её под климатическую зону, в которой она расположена с целью максимизации получения солнечной энергии и сокращению тепловых потерь. Накопление информации позволяет составлять отчётность по итогам работы за год и использовать полученную информацию в научных работах.
Значительный прогресс в области микроэлектроники за последние десятилетия способствует росту общей автоматизации современных устройств. В первую очередь следует отметить микроконтроллеры, как наиболее универсальное средство автоматизации, поскольку они способны выполнять программы, что позволяет реализовывать различные по назначению устройства с использованием одной и той же элементной базы.
Прогресс в технологиях производства интегральных схем позволил значительно снизить их стоимость. Тем не менее, в связи с усложнением самих интегральных схем, и переходом на программируемые микросхемы (микроконтроллеры), квалификация персонала, осуществляющего разработку устройств с применением микроконтроллеров, должна быть значительно выше. Кроме знаний и навыков в области электроники им также необходимы знания в области программирования, поскольку такие устройства без программ бесполезны.
Вместе с указанными издержками у микроконтроллерных систем есть так же неоспоримые преимущества: универсальность — использование одной и той же элементной базы позволяет реализовывать различные устройства автоматизации; гибкость — при разработке устройства и в ходе испытаний образцов нередко выясняются дополнительные аспекты функционирования, которые требуют изменения поведения устройства; в случае с микроконтроллером часто это может быть выполнено изменением управляющей программы без изменения схемы; дешевизна — реализация устройства со сложным алгоритмом управления может быть выполнена на небольшом числе элементов, в то время как реализация подобного алгоритма на микросхемах низкой степени интеграции требует гораздо большего числа элементов и отличается более высоким энергопотреблением; энергоэффективность — сложность устройства микроконтроллера компенсируется возможностью снизить энергопотребление переводом его в «спящий» режим, что снижает энергопотребление на работу компонентов микроконтроллера (в современных микроконтроллерах ток в режиме «сна» может быть менее 80 нА [140]). аппаратная совместимость — широкий список встроенных периферийных модулей позволяет уже внутри устройства реализовывать интерфейсы шин передачи данных, аналого-цифровое преобразование, цифро-аналоговое преобразование и другие операции.
Таким образом, вышеизложенные позиции делают микроконтроллерные устройства крайне полезными не только при проведении автоматизации установок, но и для сбора данных в целях научных исследований. Низкое энергопотребление позволяет устанавливать их автономно для сбора данных и не прибегать к проведению питающих шин в труднодоступные места, а возможность работы с периферийными модулями позволяет записывать информацию, например, на SD-карту, которая затем может быть извлечена и подключена к персональному компьютеру для последующей обработки результатов.
Рассмотрим аппаратные средства и общие принципы построения системы. Система автоматики осуществляет управление подачей воды через гелиоколлектор, накопление воды в баке и контроль качества воды, отбираемой из бака, а так же контроль поступающего солнечного излучения. Принципиальная электрическая схема приведена на рисунке (рис.4.10).