Теоретическое исследование системы энергообеспечения пасечных хозяйств на базе комбинированной гелиоустановки

Аннотация

Представлена имитационная математическая модель функционирования комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев, устанавливающая взаимосвязь конструктивных параметров комплекса и показателя эффективности при условии поддержания благоприятных условий для зимнего содержания пчел.

Ключевые слова: моделирование, микроклимат, пчелиные ульи, возобновляемые источники энергии.

We have presented a simulation mathematical model of a complex for climate control of beehives that establishes the relationship between the performance parameters of the complex and efficiency parameters with a condition of descent winter maintenance of bees.

Keywords: simulation, climate, beehives, renewable energy sources.

Структура энергопотребления пасечного хозяйства в весенне-осенний период в основном определяется оборудованием пчеловодческих мастерских (электроинструмент столярных мастерских, технические средства для откачки меда и т. д.) [1], однако в зимний период потребление энергии связано с необходимостью обеспечения условий для благополучной зимовки пчелиных семей. При этом следует отметить, что если в весенне-осенний период, ввиду специфики энергопотребления, не возникает существенных проблем, поскольку энергоснабжение требуется на сравнительно малые интервалы времени, то для зимнего периода, когда необходимо обеспечивать энергоснабжение в течение периода зимовки пчелиных семей, актуальна задача повышения эффективности энергоснабжения. В этой связи особую привлекательность получают альтернативные варианты энергоснабжения удаленных потребителей на базе возобновляемых источников энергии.

В контексте рассмотрения лесных пасек наиболее доступными видами возобновляемой энергии являются энергия солнечного излучения, ветра и биотоплива, что обусловлено как требованиями к размещению хозяйств, так и традиционным местоположением пасек в РФ в областях с относительно высокой инсоляцией и умеренными скоростями ветра [2]. В этой связи создаются предпосылки к применению автономного энергогенерирующего оборудования на основе возобновляемых источников энергии. Причем следует отметить перспективность применения данного подхода к электроснабжению в зимние периоды, когда требуется непрерывное функционирование оборудования, предназначенного для обеспечения благополучной зимовки пчелиных семей.

Для энергоснабжения лесных пасек предлагается использование автономного комплекса, в состав которого входят несколько типов преобразователей возобновляемой энергии, а также аккумуляторы тепловой и электрической энергии. Комбинирование различных типов преобразователей позволяет частично скомпенсировать переменный характер изменения мощности потоков возобновляемой энергии (солнечной и ветровой), что в совокупности с применением аккумуляторов позволяет обеспечивать надежное энергоснабжение потребителя [3]. В качестве первичных источников энергии предлагается использовать энергию солнца и ветра, что обусловлено относительной легкостью построения автоматической системы управления преобразователями данных видов возобновляемой энергии, в отличие от энергоустановок, использующих биотопливо.

Существенными факторами, влияющими на эффективность функционирования комплекса на базе комбинированной гелиоустановки, в рамках производства и преобразования энергии являются:

• — обеспечение необходимого температурного потенциала аккумулятора для поддержания оптимальной температуры внутри ульев;
• — обеспечение необходимого уровня зарядка электрического аккумулятора для функционирования системы управления комплексом.

Поскольку комплекс представляет собой сложную систему, то для оценки эффективности его функционирования перспективно рассматривать несколько аспектов [4]: преобразование и передача энергии и удельный расход материальных ресурсов. Выбор показателей, характеризующих эффективность функционирования комплекса для контроля микроклимата, должен определяться связью параметров комплекса с эффективностью его функционирования. В этой связи ключевыми показателями эффективности комплекса являются коэффициент полезного действия и материалоемкость.

Для исследования процесса функционирования комплекса на базе комбинированной гелиоустановки необходимо разработать имитационную математическую модель. При этом должны быть учтены особенности использования отдельных изделий в составе комплекса.

Объектом исследования является комплекс для контроля микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной гелиоустановки;

Предметом исследований являются качественные и количественные закономерности и зависимости, связывающие конструктивные параметры комплекса для контроля микроклимата и показатели эффективности при условии поддержания благоприятных условий для зимнего содержания пчел (температура, влажность и содержание углекислого газа).

Цель: разработка имитационной математической модели функционирования комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев.

Задачи работы:

• — моделирование теплового потребления пчелиных ульев;
• — моделирование работы системы энергоснабжения.

Принципы моделирования

Обозначенный предмет, а также важнейшие свойства объекта во многом определяют и саму методологию исследования. Рассматриваемый комплекс представляет собой сложную систему, включающую в себя биологические, технико-технологические и энергетические составляющие. Структура автономного комплекса на базе комбинированной гелиоустановки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура комплекса.

Обозначения на рисунке 1: 1 — тепловой аккумулятор; 2 — теплообменники; 3 — солнечный коллектор; 4 — воздуховоды; 5 — полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь; 6 — аккумуляторные батареи (АКБ); 7 — ветрогенератор; 8 — контроллер заряда АКБ; 9 — система управления подачей теплоносителя в ульи.

Основываясь на результатах анализа компонентов комплекса, была разработана схема моделирования. С точки зрения иерархии модель включает несколько уровней:

• — уровень процессов, непосредственно связанных с изменением значений параметров микроклимата внутри ульев в зависимости от внешних факторов;
• — уровень автономных процессов внутри комплекса. На данном уровне моделируются процессы функционирования отдельных компонентов напрямую не связанных с процессами изменения микроклимата внутри ульев, однако, необходимые для обеспечения благоприятных условий для зимовки пчелиных семей.

Модели процессов первого уровня отображают процессы изменения параметров микроклимата (температуры, влажности и содержания СО₂) внутри ульев в зависимости от внешних факторов. Внешние факторы условно можно разделить на: климатические (температура, влажность и содержание СО₂ наружного воздуха), конструктивные (объем улья, материал теплоизоляции) и технологические (воздухоподача в системе вентиляции, тепловой поток, поступающий в ульи от комплекса). Целью моделирования процессов первого уровня является нахождение величин изменения управляющих воздействий для поддержания оптимального микроклимата для благополучной зимовки пчелиных семей.

Моделирование процессов второго уровня осуществляется по принципу «черного» ящика, на основе стохастических регрессионных моделей, без анализа их внутренней структуры. Целью моделирования процессов второго уровня является нахождение зависимости между климатическими условиями функционирования комплекса (скорость ветра, инсоляция и т. д.) и энергетическими характеристиками рассматриваемого комплекса.

Моделирование работы комплекса на базе комбинированной гелиоустановки проводилось с использованием программы Excel программного пакета Microsoft Office.

На начальном этапе моделирования задаются значения входных факторов, которые будут оставаться неизменными, например конструктивные параметры улья, а также факторов, значения которых будут меняться на каждом шаге (климатические параметры). Внешний вид окна ввода значений постоянных параметров представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид окна ввода значений постоянных параметров.

Затем следует подстановка значений входных факторов в расчетную часть, в рамках которой определяется характер влияния (функциональный, случайный) и условия изменения параметров с течением времени. При расчетах в рамках шага моделирования принимается допущение, которое подразумевает постоянство условий в течение него. Шаг моделирования выбирается с учетом соблюдения постоянства условий в течение него. Далее осуществляется запись значений для шага моделирования в таблицу результатов. Производится изменение внешних условий в зависимости от их колебаний с течением времени. Измененные в течение шага входные параметры подставляются в расчетную часть на следующем шаге моделирования. Далее процесс повторяется вплоть до последнего шага моделирования. В результате расчета математической модели получается таблица выходных данных, состоящая из значений расчетных параметров на каждом шаге моделирования.

Моделирование теплового потребления пчелиных ульев

Модель теплового потребления единичного улья представлена на рисунке 3. Обозначения на рисунке: T0, w0, g0 — соответственно температура, влагосодержание, концентрация углекислого газа наружного воздуха, M — объем помещения; T, w, g — соответственно температура, влагосодержание, концентрация углекислого газа наружного воздуха; PB, WB, GB — тепловая мощность, влагосодержание, газовыделение неуправляемого источника (пчелиная семья); P — тепловая мощность управляемого источника; V, U — соответственно воздухоподача приточного и вытяжного вентиляторов.

Рисунок 3. Общая схема теплового потребления ульев принятая при моделировании.

Для построения математической модели теплового потребления единичного улья нужно определить величины, воздействующие на объект исследования, и величины, характеризующие его состояние. Первые называют входными величинами, или факторами, а вторые — выходными или откликом. Входными факторами являются: относящиеся к биологическим организмам — мощность неуправляемого источника теплоты Pв, влагосодержание wв источника влажности и газовыделение Gв, относящиеся к внешним факторам — температура, влажность и концентрация углекислого газа в наружном воздухе, относящиеся к конструктивным параметрам — объем улья, материал теплоизоляции, характеризующийся коэффициентом тепловых потерь через ограждающие конструкции улья. Выходными факторами (откликами) являются величины изменения управляющих воздействий для поддержания оптимального микроклимата для благополучной зимовки пчелиных семей. Таким образом, целью математического моделирования теплового потребления улья является установление зависимостей между входными факторами и выходными откликом.

Расчетная формула для определения тепловой мощности, необходимой для поддержания нормируемого температурного режима пчелиной семьи в условиях улья, расположенного на открытом воздухе, представлена в выражении (1) [5]:

(1).

где, , ,.

— мощность управляемого источника тепла; - теплоемкость сухого воздуха; - плотность сухого воздуха; - объем улья; - температура внутри улья; - температура наружного воздуха; - воздухоподача вытяжных вентиляторов; - воздухоподача приточных вентиляторов; коэффициент тепловых потерь через ограждающие конструкции; - влагосодержание внутри улья; - влагосодержание наружного воздуха; - мощность неуправляемого источника тепла.

Объем вентиляции по содержанию углекислоты, при условии равенства объемов приточного и вытяжного воздуха, определяется по формуле:

(2).

где — суммарное количество углекислого газа, которое выделяют животные, л/ч; - допустимое количество углекислого газа в 1 мі воздуха — 40 л/мі или 4%; - количество углекислого газа в 1 мі атмосферного воздуха — 0,3 л/мі или 0,03%.

Формула для определения объема вентиляции по влажности, при условии равенства объемов приточного и вытяжного воздуха, имеет вид:

(3).

где — суммарное количество влаги, которое выделяют животные, г/ч; - абсолютная влажность воздуха внутри улья; - абсолютная влажность атмосферного воздуха, г/мі.

Моделирование работы системы энергоснабжения

— Ключевой моделью процессов второго уровня при описании функционирования комплекса является модель состояния теплового аккумулятора, описываемая уравнением [6]:

(4).

где — тепловые потери солнечного коллектора;

.

— удельная теплоемкость теплоносителя в аккумуляторе, кДж/(кг*К); - плотность теплоносителя в аккумуляторе, кг/мі; - объем бака, мі; - тепловые потери аккумулятора; - коэффициент, учитывающий влияние теплообменника; - коэффициент отвода теплоты от солнечного коллектора; - плотность потока солнечной радиации, ГДж/мІ; - поглощательная способность солнечного коллектора; - площадь апертуры солнечного коллектора, мІ; - количество теплоты, поступающей к потребителю из аккумулятора, ГДж/ч; - температура теплоносителя в аккумуляторе в начале шага моделирования, К; - температура наружного воздуха, К.

Моделирование работы системы электроснабжения осуществлялось следующим образом. На первом этапе определялись мощности ветроэлектрогенератора, фотоэлектрического преобразователя в рамках шага моделирования, затем составлялся баланс потребления и генерирования электрической энергии с учетом потерь в отдельных элементах электроэнергетической системы. На заключительном этапе осуществлялось определение состояния аккумуляторной батареи в конце шага моделирования с учетом требований к минимальному уровню заряда АКБ.

Мощность ветроэлектрогенератора определялась, исходя из выражения [7]:

(5).

где — коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока; - ометаемая ветроколесом площадь мІ; - плотность воздуха кг/мі; - скорость ветра, м/с.

Мощность полупроводникового фотоэлектрического преобразователя определялась исходя из выражения [8]:

(6).

где — площадь апертуры полупроводникового фотоэлектрического преобразователя, мІ; - КПД полупроводникового фотоэлектрического генератора; - плотность потока солнечного излучения, Вт/мІ.

Электрическая нагрузка определялась исходя из выражения:

(7).

где — номинальный ток циркуляционного насоса солнечного коллектора, А; - коэффициент использования циркуляционного насоса солнечного коллектора; - количество пчелиных ульев; - номинальный ток приточного и вытяжного вентиляторов, А; - номинальный ток системы управления, А; - номинальное напряжение, В.

Мощность электрических потерь в рамках шага моделирования определялась по формуле:

(8).

где — удельное сопротивление соединительных проводов, Ом/м; - длина соединительных проводов, м.

Зависимости показателей эффективности от конструктивных параметров комплекса приведены в уравнениях 1 и 2:

(9).

где — к.п.д. комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев; - мощность ветроэлектрогенератора, Вт; - мощность полупроводникового фотоэлектрического преобразователя, Вт; - мощность солнечного коллектора, Вт; - мощность потерь энергии, Вт.

(10).

где — материалоемкость комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев; - масса i-го элемента комплекса, кг; - количество пчелиных ульев, шт.

Элемент математической модели, составленный с использованием представленных выше зависимостей, в рамках которого описываются тепловое потребление единичного улья, и энергетические характеристики комплекса представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Элемент математической модели, описывающий тепловое потребление единичного улья и энергетические характеристики комплекса.

На рисунке 5 представлены результаты моделирования работы комплекса для следующих условий: расположение пасеки в республике Марий Эл; площадь ФЭП — 1 мІ; ометаемая площадь ВЭС — 4 мІ; количество ульев — 1 шт.; емкость АКБ — 50 А*ч; объем бака теплового аккумулятора — 1 мі (графики изменения: а) температуры теплоносителя теплового аккумулятора; б) напряжения на выводах АКБ; в) мощности ветроэлектрогенератора и фотоэлектрического преобразователя; г) потребления электрической энергии.

а).	б).
в).	г).

Рисунок 5. Результаты моделирования работы комплекса

Вывод

пчелиный улей микроклимат Разработанная имитационная математическая модель функционирования комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев позволяет определить качественные и количественные закономерности и зависимости, связывающие конструктивные параметры комплекса и показатели эффективности при условии поддержания благоприятных условий для зимнего содержания пчел.

• 1. Пчеловодство: Учеб. для студ. вузовт/ Харченко Н. А., Рындин В. Е. М.: Издательский центр «Академия», 2003. 141 с.
• 2. Таран А. А. Автономная солнечная электростанция для передвижных пасек: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Зерноград, 2007. 16 с.
• 3. Сидыганов Ю. Н., Онучин Е. М., Шамшуров Д. Н., Костромин Д. В., Медяков А. А., Яблонский Р. В. Математическое моделирование процессов автономного энергообеспечения тепличного комплекса на базе местных возобновляемых источников энергии. // Научная библиотека elibrary.ru. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=17 288 379 (дата обращения 5.06.2014)
• 4. Медяков А. А., Онучин Е. М., Каменских А. Д., Анисимов П. Н Математическая модель энергетической системы ТАЛБЭК. // Научная библиотека Научная библиотека elibrary.ru. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=18 115 499 (дата обращения 5.06.2014)
• 5. Воронин Е. А., Зимнов С. С. Математическое описание системы микроклимата как объекта автоматического управления // Научная библиотека elibrary.ru. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=11 738 849 (дата обращения 5.05.2012).
• 6. Бекман У. А. Расчет системы солнечного теплоснабжения / М.: Энергоатомиздат, 1982. 79 с.
• 7. Хахалева Л. В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Ульяновск, 2008. 6 с.
• 8. Труды Главной Геофизической Обсерватории, вып. 557. Спб., 2008. 81 с.