Національний аграрний університет

ГОЛОВКО Володимир Михайлович

УДК 631.2:631.1:621.1

РАЦІОНАЛЬНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕНЕРГІЇ СОНЯЧНОЇ РАДІАЦІЇ ТА ВІТРУ В ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ

СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА

05.09.16 – електротехнології та електрообладнання

в агропромисловому комплексі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор,академік УААН

Мартиненко Іван Іванович,

Національний аграрний університет,

професор кафедри автоматизації сільськогосподарського виробництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Драганов Борис Харлампійович,

Національний аграрний університет,

професор кафедри теплоенергетики

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Забарний Георгій Миколайович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

завідувач відділу технології видобування геотермальної енергії

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України

Рєзцов Віктор Федорович,

Інститут електродинаміки НАН України, керівник відділення комплексних енергетичних систем з відновлюваними джерелами енергії

Провідна установа – Харківський державний технічний університет сільського господарства, Міністерство аграрної політики України, кафедра електротехнології сільськогосподарського виробництва, м.Харків.

Захист відбудеться “03” червня 2003 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041,м.Київ, вул.Героїв оборони,15, навчальний корпус №3, ауд.65

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного універстету за адресою: 03041,м.Київ, вул.Героїв оборони,13, навчальний корпус №4, к.41

Автореферат розісланий “24” квітня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________________ Лут М.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший розвиток сільськогосподарського виробництва вимагає додаткових енерговитрат як у тваринництві, так і в рослинництві. До цього часу будь-який запланований приріст виробництва повинен був забезпечуватися за рахунок розширення використання органічних джерел палива.

В Україні склалася ситуація при якій ріст споживання перевищив ріст видобутку палива. В свою чергу, на зміну дешевим джерелам викопного палива, надходять родовища із складнини геологічними умовами. Це, звичайно, сприяє підвищенню величини загальних витрат. Пропорційно ростуть і оптові ціни на дані види палива. Крім того, екстенсивна енергетична діяльність порушує екологічні питання: тонни пилу, газів, радіоактивних елементів осідають в місцях виробництва, порушення природної рівноваги в місцях видобутку, кислотні дощі в місцях споживання. Враховуючи такий стан, пошук нових засобів енергозбереження, гармонійне сполучення їх з відомими – постає першорядною проблемою.

Одним із шляхів вирішення даної проблеми, є застосування поновлюваних джерел енергії ( ПДЕ ), до основних видів яких відносяться енергія сонячної радіації та вітру. Але ряд недоліків притаманний цим джерелам – низька густина біля поверхні Землі, нерівномірність надходження – ускладнюють широке використання даних видів енергії, не зважаючи на те, що їх сумарні потенційні ресурси складають більше 51012 ГДж на рік. Та з іншого боку, при сучасних обмежених ресурсах, забрудненні навколишнього середовища, місцевому надлишковому тепловиділенню, збільшенню витрат на транспортування від місць добутку до місць споживання, традиційне паливо почало втрачати свої позиції. При вирішенні питання узгодження потреб споживачів з можливостями ПДЕ значно поліпшиться енергобаланс сільськогосподарського виробництва України.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Національному Науковому Центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” в рамках науково-технічних програм: “Розробити нові методи та технічні засоби електрифікації поточних ліній сільськогосподарського виробництва” (номер державної реєстрації 01.9.00023200), “Розробити наукові основи створення перспективних машин, обладнання, засобів автоматизації технічних комплексів і зональну систему машин у рослинництві” (номер державної регістрації 0193U034273), “Провести систематизацію енергообладнання в сільському господарстві та розробити способи та технічні засоби з використанням поновлюваних джерел енергії для отримання рослинного білка та електролізу водню" (номер державної регістрації 0197U013410), “Геліоустановка гарячого водопостачання тваринницьких ферм” (номер державної регістрації 0195U027412), “Розробити автономне джерело живлення з використанням відновлюваних джерел енергії для енергопостачання культурних пасовищ та літніх таборів” (номер державної регістрації 0197U004328) з безпосередньою участю автора.

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень полягає в науково-технічному обгрунтуванні раціонального використання в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва економічно доцільних рішень застосування енергії сонячної радіації та вітру .

Для досягнення поставленої мети розв’язувалися такі задачі :

-

-

-

-

-

-

-

Об’єктом дослідження є енергопотоки надходження енергії сонячної радіації та вітру і енергопотреби споживачів в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва та процес їх узгодження.

Предмет дослідженнь є множина параметрів геліовітроенергетичного обладнання, що забезпечує енергоекономічну доцільність використання енергії сонячної радіації та вітру в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва.

Методи досліджень. Наукові положення, висновки та рекомендації, що сформульовані в дисертації, базуються на положеннях системного аналізу, теорії ймовірності, математичних методів моделювання, цілечислового обчислення та статистичної оцінки прийнятих рішень.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає в наступному:

-

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

-

-

-

-

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, що містяться в дисертації, отримані автором самостійно. В наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному:

у наукових працях [1 – 5, 8, 9, 22] автору належить постановка задач та розробка аналітичної частини, в [6, 7, 11] автором написані розділи з методик розрахунку надходження енергії сонячної радіації та вітру, в [18 - 21] узагальнення досвіду натурних випробувань.

Апробація роботи. Матеріали теоретичних і експериментальних досліджень, що включені до дисертації, доповідались та обговорювались на : Республіканській науково-технічній конференції “Проблеми та шляхи використання паливно-енергетичних ресурсів в галузях народного господарства республіки” (м.Суми, 1983р.); регіональній науково-технічній конференції “Електрифікація теплових процесів в сільськогосподарському виробництві Сибіру” (м.Іркутськ, 1984р.); науково-технічній конфиренції “Автоматизація сільськогосподарського виробництва” (м.Кіровоград, 1986р.); Всесоюзному науково-технічному семінарі “Досвід електрифікації сільського господарства на основі прискорення науково-технічного прогресу” (м.Тернопіль, 1987р.); Республіканській науково-технічній конференції “Проблеми безпеки та надійності постачання сільськогосподарських та промислових підприємств, економія електроенергії” (м.Севастополь, 1988р.); Всосоюзній науково-технічній конференції “Енергозберігаюче електрообладнання для АПК” (м.Москва, 1990р.); науково-практичній конференції “Сільськогосподарська теплоенергетика” (м.Севастополь,1992р); науково-технічній конференції “Енергозберігаючі технології та технологічні засоби для виробництва сільськогосподарської продукції"”(м.Київ, 1992р., 1993р., 1994р., 1995р.); науково-практичній конференції з питань розробки й впровадження техніки і технологій використання нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії (АР Крим, 1995р., 1996р.); щорічна конференція “Енергоком-96” (м.Київ, 1996р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Випробування, техніка і технології для сільськогосподарського виробництва” (Дослідницьке, 1995р., 1998р.), І Міжнародна науково-практична конференція “Нетрадиційні і поновлювані джерела як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні” (м. Львів, 2001р.).

Публікації. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень викладені в 39 друкованих працях та авторських свідоцтвах.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 276 найменувань і 17 додатків. Обсяг дисертації 246 сторінок основного тексту, 87 рисунків, 8 таблиць і 101сторіноки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета та задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі “СТАН ПРОБЛЕМИ ТА АНАЛІЗ ТЕНДЕНЦІЙ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИКОРИСТАННЯ В ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА ЕНЕРГІЇ СОНЯЧНОЇ РАДІАЦІЇ ТА ВІТРУ” розглянутий стан та загальна характеристика проблеми раціонального використання енергії сонячної радіації та вітру в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва.

На сучасному етапі розвитку людство стоїть перед необхідністю забезпечити себе продуктами харчування, що вимагає зростаючих витрат енергії. В технологічно розвинутих країнах на виробництво сільськогосподарської продукції, в основному, використовуються високоякісні види енергії – рідке паливо, газ, електроенергія, розвідані ресурси яких за даними ООН виснажуються на початку третього тисячоліття. В зв’язку з цим виникла вимога, з одного боку, виявлення можливості раціонального використання наявних ресурсів, а з другого – розвиток робіт із застосування поновлюваних та нетрадиційних видів енергії. Ряд країн прийняли національні програми з освоєння енергії таких джерел, розширюються роботи за ініціативою державних і приватних закладів, створюються банки для видачі кредитів під низький процент.

До основних видів поновлюваних джерел енергії, які знайшли застосування в сільськогосподарському виробництві, відносяться енергія сонячної радіації та вітру.

Освоєння сонячної енергії здійснюється за трьома основними напрямками: фотоелектричному, термодинамічному, тепловому. Основні проблеми широкого використання фотоелектричних генераторів полягають в їх високій капіталоємкості, нерівномірності надходження та низької густини сонячного випромінення. Станції з термодинамічним циклом мають обмеження з фізико-географічних умов (наявність хмарності). Їх гранична потужність 30 МВт (дані ЕЕСІ ISPRA) –100 МВт (дані США). Найбільш ефективне в сільському господарстві використання енергії сонячної радіації – для теплових низькопотенційних потреб (до 100 0С), рівень яких складає 30…50% від загального споживання. Методологія розвитку питання використання енергії сонячної радіації розвинута в працях Тарніжевського Б.В., Вейнберга Б.П., Трофімова К.Г., Умарова Ю., Ахмедова Р.Б., Авезова Р.Р., Драганова Б.Х., Ферта А.Р., Резцов В.Ф., Забарний Г.М., W. Beckman, S.Klein, J.Duffie та ін.

Енергію вітру на сьогодні використовують для економії енергоресурсів, енергопостачання автономних споживачів. Перший напрямок передбачає побудову потужних вітроелектричних станцій в районах з високою постійною швидкістю вітру для роботи паралельно з енергосистемами. За другим – ведуться дослідження та розробка вітроагрегатів для водопостачання, електропостачання малопотужних споживачів. Питанням вітроенергетики присвячені роботи Жуковського Н.Є., Ветчинкіна В.П., Сабініна Г.Х., Фатєєва Є.М., Погоржельського Н.В., Кажинського Б.Б., Перлі С.Б., Шефтера Я.І., Андріанова В.Н., Бистрицького Д.М., Васько П.Ф., Секторова В.Р. та ін.

Зважаючи на багаторічний досвід вітчизняної та світової науки, всі установки, які утилізують енергію сонячної радіації та вітру, поділяються на конкурентноздатні та перспективні.

До першого виду відносяться сукупність пристроїв, які дозволяють виконати окремі технологічні операції без використання традиційних енергоджерел в визначені технологічні строки.

До другого виду відносяться автономні джерела живлення, які забезпечують енергією всі виробничі потреби сільськогосподарського об’єкта.

Забезпечення споживача енергією для технологічних процесів за рахунок використання енергії сонячної радіації та вітру можливо здійснювати як від одного джерела, так і від комплексного їх використання. При цьому необхідно розглядати можливіть часткового та повного заміщення традиційних енергоджерел. Прийняття рішення настає при визначені області наближення двох критеріїв: мінімума рівня енерговитрат на створення технічного засоба для утилізації поновлюваних енергоджерел і економічної ефективності впровадження даної установки. В той же час бажання забезпечити повне заміщення традиційних джерел, призводить до зростання витрат на технічні засоби (обмежуючий фактор відомого “закону зменшення прибутку”). Крім того, специфіка сільськогосподарського виробництва характеризується такими основними особливостями:

- нерозривний зв’язок з біологічними об’єктами;

-

-

-

Все це вимагає зваженого підходу до впровадження геліовітроенергетичного обладнання в технологічні процеси, ключовою проблемою якого є узгодження енергопотоків надходження енергії сонячної радіації та вітру з енергопотоками потреб споживачів технологічних процесів сільськогосподарського виробництва.

Аналіз причин, що стримують подальший розвиток впровадження технічних засобів, що використовують енергію сонячної радіації та вітру, вказує на недостатність розвитку методології оцінки енергетичної доцільності застосування поновлюваних енергоджерел за тривалістю їх використання в сільському господарстві. Сучасне геліовітроенергітичне обладнання вимагає теоретичного обгрунтування параметрів для його адаптації в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва.

У другому розділі “ТЕОРЕТИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ДОЦІЛЬНОСТІ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИКОРИСТАННЯ В ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА ЕНЕРГІЇ СОНЯЧНОЇ РАДІАЦІЇ ТА ВІТРУ” проведене аналітичне вирішення проблеми раціонального використання геліовітроенергетичного обладнання для об’єктів сільськогосподарського виробництва на базі критеріїв енергетичної оцінки.

В загальному випадку вирішення проблеми використання енергії сонячної радіації та вітру буде визначаться відображенням бінарного відношення множин :

С, (1)

де А – множина потреб в енергопостачанні об’єкта ( N ), який характеризується коефіцієнтом графіка навантаження ( КЗ ), ємністю акумулюючого пристрою (СА), потужністю резервного джерела енергії (NP) ;

В – множина величин надходження енергії сонячної радіації ( S ) та вітру ( W ) в залежності від географічного місцезнаходження об’єкта, яка характеризується широтою місцевості ( ), середньорічною швидкістю вітру ( v ), довжиною періода використання даних видів енергії ( Т ).

Пересічення множин А і В визначає множину конструктивних параметрів технічних засобів з утилізації енергії сонячної радіації та вітру :

С – що характеризується площею геліонагрівачів ( LS ), площею, обмаху ротора вітроустановки ( LW ), ефективністю колектора нагрівача ( е ), коефіцієнтом потужності вітроустановки ( ), продуктивністю геліоустановки ( V ), рівнем потужності вітроагрегата ( W ).

При цьому множина С повинна бути кінцевою за виконання умови:

C , (2)

де - умова виконання критерія енергоекономічної оцінки.

Таким чином, вирішення питання застосування енергії сонячної радіації та вітру складає в визначенні взаємнооднозначного відображення ( ін’єкції ) бінарного відношення при обмеженні умовами енергоекономічної оцінки.

Обгрунтування структурних схем енергозабезпечення від енергії сонячної радіації та вітру, відноситься до класу задач системного аналізу, загальний підхід до рішення якої проводиться в роботах Моісеєва М.М., Ларічева О.І., Пентл Р. та ін.

Алгоритм визначення бінарного відношення (1), результатом якого є вибір параметрів технічних засобів структурних схем енергозабезпечення від енергії сонячної радіації та вітру наведений на рис. 1.

Вимоги споживача в енергії, ЕСП , протягом технологічного циклу Т, є визначальними в постановці питання енергозабезпечення об’єкта від енергії сонячної радіації та вітру:

n

рі Ті G j Rj , (3)

j=1

де - тривалість доцільного періоду використання енергії сонячної радіації або вітру;

R - ресурс енергії сонячноі радіації або вітру;

G-конструкторсько-технологічні параметри установок перетворювачів енергії сонячної радіації або вітру.

Надходження енергії сонячної радіації або вітру характеризується тривалістю періоду доцільного використання в енергопостачанні споживача з заданою ймовірністю:

Т = Dq (4)

При чому p ( x xз ) 0,6 Dq Dn (5)

х m

р = хdx при xdef ;

хЗ

де

к

р = при x indef.

М + 1

де хЗ - задане порогове значення рівня енергії сонячної радіації або швидкості вітру;

Dq - день доцільного використання енергії сонячної радіації та вітру;

Dn - поточний день року;

x - розподіл щільності ймовірності випадкової величини;

к – кількість значень x xз ;

М – об’єм вибірки.

Ресурс ЕСРВ визначається як :

E E, Ed;

R =

E aLvi3Ti ,

де Е - надходження енергії сонячної радіації на похилу поверхню згідно

рівняння Клейна;

Е, Еd - відповідно сумарна та дифузна складові сонячної радіації ;

LW - площа, обмаху ротора вітроустановки ;

vi - швидкість вітру за градаціями ;

Ti - тривалість градацій.

Конструктивно-технологічні параметри установок перетворювачів енергії сонячної радіації та вітру отримують в результаті композиції потреб А споживача та можливостей даних видів енергії - В, тобто:

a T b = c = G - def ,  (6)

За умови виконання

К0 0; КЗ 1; КН = 0; 0,5; 10; 24; Ке 1; Кен Кнен

де Ко - коефіцієнт забезпечення графіків споживання ;

Кз - коефіцієнт заповнення графіка навантаження ;

Кн - коефіцієнт неспівпадання з графіком навантаження ;

Ке - коефіцієнт економічної ефективності ;

Кен - енергетичний коефіцієнт заміщення.

Вимоги споживача в енергії на протязі технологічного циклу є визначальними в постановці питання енергозабезпечення об’єкта від енергії сонячної радіації та вітру. Надходження енергії сонячної радіації та вітру – характеризується довжиною доцільного періода використання з ймовірністю не нижче 0,6 та питомою енергією. Вибір конструктивних параметрів систем технічних засобів базується на аналітичному порівнянні альтернативних рішень енергозабезпечення об’єктів споживача із врахуванням коефіцієнтів ефективності перетворювачів енергії сонячної радіації та вітру. Перевірка рішень проводиться за коефіцієнтом забезпечення графіка навантаження споживача. Кінцеве рішення приймається після енергоекономічної оцінки технічного засобу.

Відомі методики енергетичної оцінки енергії сонячної радіації та вітру дають загальну величину енергії для сезона або року вцілому, що ускладнює визначення величини заміщення енергії в технологічному періоді. Так як більшість території України належить до зони середньої інтенсивності надходження енергії сонячної радіації та вітру, то необхідно було розробити методику статистичної оцінки кліматичних умов місцевості, яка дозволила отримати інформацію про ймовірність енергетично доцільного використання енергії сонячної радіації та вітру для технологічних потреб сільськогосподарського виробництва.

Згідно методики складена програма обчислення на ЕОМ, яка базується на використанні параметричного та непараметричного методів оцінки статистичної реалізації випадкових процесів. Оцінка ресурсів проводилась за двадцятирічною вибіркою кожноденних значень Гідрометеоцентру України. Виходячи з розрахункової ймовірності (0,6), енергію сонячної радіації необхідно використовувати у всіх областях України з травня до серпня, а в Одеській, Херсонській - і в вересні. В Криму цей період продовжується з квітня до вересня. Враховуючи зональні коливання, доцільно всю територію країни умовно розбити на чотири регіони за довжиною доцільного періоду використання енергії сонячної радіації (Т)::

0 Т 80 днів, з надходженням сумарної добової радіації

S 250 кВтг/м2;

80 Т 100 днів, з надходженням 250 S 350 кВтг/м2 ;

100 Т 120 днів, з надходженням 350 S 400 кВтг/м2 ;

120 Т 170 днів, з надходженням S 400кВтг/м2.

Надходження енергії сонячної радіації в Україні за сезонами складає: весною 0,122…0,65, влітку 0,21…0,75, восени 0,08…0,4 ГДж/м2 в залежності від кліматичноі зони.

Енергію вітру найдоцільніше використовувати :

- в зимовий період: у Львівській, Тернопільській, Київській, Чернігівській, Черкаській, Полтавській, Сумській (південніше лінії Ромни-Білопілля), Одеській (південніше лінії Роздільно-Сербка), Херсонській, Донецькій (південніше лінії Великоанадоль-Дебальцево), Криму ;

- в весняний період: Львівській, Тернопільській, Київській, Чрнігівській, Черкаській, Полтавській, Сумській (південніше лінії Ромни-Білопілля), Харківській (північніше лінії Красноград-Харків), Кіровоградській, Миколаївській (східніше лінії Очаків - Вознесенськ), Херсонській, Донецькій;

- в літній період: в Чернігівській, Черкаській, Донецькій, (південніше лінії Донецьк-Дебальцево), Криму ;

- в осінній період: в Львівській, Київській, Чернігівській, Полтавській, Черкаській (східніше лінії Сміла - Канів), Донецькій (південніше лінії Великоанадоль-Амвросіївка), Херсонській (південніше лінії Херсон-Попелак), Криму.

Отримані результати досліджень, дозволили визначити на території України три регіони за тривалістю доцільного періоду використання енергії вітру (при умові, що швидкість вітру неменше 4 м/с): більше 300 днів; від 300 до 160 і менше 160. Надходження питомих значень енергії вітру за сезонами в Україні буде складати: взимку 13,1…132,0, весною 14…143,7, влітку 8…59,1, восени 8,1…104,9 кВтг на 1 м2 площі, що обмітається ротором вітроустановки, в залежності від кліматичної зони.

Тоді величина заміщення споживання енергоресурсів енергією сонячної радіації та вітру складає:

Gi Ri(mit)i

= , (7)

pi T

де Ri – енергетичний ресурс і-того джерела енергії сонячної радіації та вітру ;

рі - потреби і-тої технологічної операції ;

t - період найменшої дії навантаження при умові :

s t m - ціле число,

де m – кількість періодів за час дії операції ;

s час використання навантаження;

Gi – технічний параметр і-тої установки, що перетворює енергію сонячної радіації та вітру;

- функція ефективності установки;

і – періоди доцільного використання і-того джерела енергії сонячної радіації та вітру ;

Т – час використання технологічної операції.

При граничних умовах енергозабезпечення споживача, тобто генеруюча установка повинна повністю задовольнити потреби об’єкта, максимальна величина заміщення, згідно енергетичній оцінки ресурсів енергії сонячної радіації та вітру, буде складати :

- при використанні енергії сонячної радіації 19,5 ... 45,8% потреб;

-при використанні енергії вітру 8,2 ... 100%,

в залежності від кліматичних зон України.

Для енергетичної оцінки технічних засобів використання енергії сонячної радіації та вітру, був використаний принцип визначення основних коефіцієнтів для вітроенергетики, запропонований Фатєєвим Е.М.. При сучасних технологічних процесах з жорстким графіком споживання енергії, пропонуються такі показники: коефіцієнти забезпечення та заповнення графіка навантаження, неспівпадання та енергоекономічний.

Коефіцієнт забезпечення, прийнятий на етапі попередньої оцінки можливості використання енергії сонячної радіації та вітру, і його необхідно визначати, як відношення обсягу її надходження до енергії навантаження технологічного процесу :

j

K0 = A -1 ai к0i , (11)

i=1

де аі – навантаження і-тої технологічної операції об’єкта;

коі – коефіцієнт забезпечення і-тої технологічної операції;

А – навантаження об’єкта.

При забезпеченні повної потреби споживача, потужність установки повинна бути не меншою величини максимального навантаження . В цьому випадку діє “закон зменшення прибутку”, згідно якого просте збільшення потужності установки, зменшує прибуток виробництва одиниці енергії. Цей висновок вимагає необхідність використання акумулюючих пристроїв. Тоді коефіцієнт заповнення графіка навантаження буде знаходитись:

Т NВ + ЕА

КЗ = , (12)

ЕГР.Н

де NВ – встановлена потужність агрегату ;

Т – час роботи агрегату з встановленою потужністю;

ЕА - ємність акумулюючого пристрою.

Коефіцієнт неспівпадання характеризує надійність енергопостачання сільськогосподарських споживачів і залежить від їх категорійності. Для І категорії Кн=0, ІІ – 0,5; 4; 10 годин, для ІІІ - Кн 24 години.

Позитивний економічний ефект використання енергії сонячної радіації та вітру досягається при умові:

n

giCТ

i=1

KEK = , (13)

n

EH + nKi

i=1

де gі - кількість енергії, що виробляється елементом технічного засобу з використання енергії сонячної радіації та вітру;

СТ - вартість одиниці енергії вивільненого мінерального палива ;

ЕН - нормативний коефіцієнт ефективності капітальних вкладень;

n - коефіцієнт амортизаційних і ремонтних відрахувань ;

Кі- вартість установки.

З виразу КЕК слідує, що його величина прямопропорційно залежить від вартості вивільненого палива та оберненопропорційна вартості установки. Тобто при сучасному зростанні цін на паливо, установки, що знаходяться в експлуатації, швидше окупляються ніж ті, що необхідно впроваджувати. Цей недолік економічної оцінки компенсує оцінка енергетичної доцільності:

ЕУТ

Кен = КНен , (14)

ЕВИТ

де ЕУТ - кількість енергії отриманої засобом утилізації енергії сонячної радіації та вітру;

ЕВИТ - кількість енергії, що витрачається на виготовлення цього засобу.

Аналіз доцільності раціонального використання геліовітроенергетичного обладнання для об’єктів сільськогосподарського виробництва вказує, що застосування технічних засобів з використання енергії сонячної радіації необхідно проводити на всій території України при ефективності 0,36…1,02 т.у.п./м2 на одиницю капітальних витрат при заміщенні вугілля, 0,21…0,6 т.у.п./м2 дизельного палива, 0,16…0,85 т.у.п./м2 електроенергії; використання вітроелектроагрегатів – 0,03…2 т.у.п./м2 при заміщенні вугілля, 0,016…1,2 т.у.п./м2 дизельного палива, 0,012…1,7 т.у.п./м2 електроенергії.

Третій розділ “РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕСІВ УЗГОДЖЕННЯ ЕНЕРГОПОТОКІВ НАДХОДЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ СОНЯЧНОЇ РАДІАЦІЇ ТА ВІТРУ З ЕНЕРГОСПОЖИВАННЯМ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА” присвячений теоретичному визначенню альтернативних рішень побудови структурних схем геліовітротехнічного обладнання та розробці математичних моделей процесу узгодження енергопотоків надходження енергії сонячної радіації та вітру з енергоспоживанням технологічних процесів сільськогосподарського виробництва.

Узгодження енергопотоків надходження енергії сонячної радіації та вітру і потреб споживача здійснюється за допомогою геліовітроенергетичного обладнання, сукупність якого необхідно розглядати в вигляді загальної фізичної системи, що діє протягом певного нормативного часу. В даній системі вхідними змінними є надходження енергії сонячної радіації та вітру, а також енергії від резервного (традиційного) джерела, вихідними – потреби об’єкта (споживача) в енергозабезпеченні (тепловою та електричною енергією). Таким чином, сукупність енергопотоків в даній фізичній системі складають векторний простір, метою проведення операцій в якому є вирішення енергобалансового рівняння “джерело-споживач”.

Хай існує і-та кількість (скінчена) об’єктів сільськогосподарського виробництва, що підлягає забезпеченню від енергії сонячної радіації та вітру на протязі періоду з j-тої кількості днів. Реалізація узгодження потоків від джерела до споживача здійснюється технічними засобами з утилізації енергії сонячної радіації та вітру в їх структурних схемах, що побудовані за блочним принципом і включають первинні перетворювачі (сонячні водонагрівачі, вітроагрегати), систему накопичення та стабілізації (теплові та/або електричні акумулятори), допоміжне та резервне обладнання (насос для циркуляції теплоносія, електронагрівач). Тоді рівняння відносно використання енергії сонячної радіації прийме вигляд:

при і=1,…,n , (15)

де - вектори, компоненти яких є

значеннями теплових потреб і-того об’єкта в j-тий день експлуатації;

- вектори, компонентами яких є значення

енергії від утилізаторів сонячної радіації на і-тому об’єкті в j-тий день експлуатації;

а – коефіцієнт параметрів структурних схем утилізації сонячної радіації.

Для окремої точки векторного простору співвідношення (15) буде мати такий вигляд:

де і=1,…n – номер об’єкта;

j=1,…m – номер дня експлуатації;

- потік енергії від утилізатора сонячної радіації;

де – величина сумарної сонячної радіації на похилу поверхню, що приймає значення в діапазоні [0,];

де – середньостатистичне значення надходження енергії сонячної радіації в j-тий день експлуатації;

– площа сонячних колекторів в j-тий день

експлуатації.

– ефективність сонячних колекторів

Рівняння узгодження потоків відносно використання енергії вітру буде становити:

при і=1,…,n , (16)

де - вектори, компоненти яких є

значення електропотреб і-того

об’єкта в j-тий день експлуатації;

- вектори, компонентами яких є значення енергії від вітроагрегатів на і-тому об’єкті в j-тий день експлуатації;

b – коефіцієнт параметрів структурних схем утилізації енергії вітру.

Для окремої точки векторного простору:

де і=1,…n – номер об’єкта;

j=1,…m – номер дня експлуатації;

– потік енергії від вітроагрегата;

де – величина енергії вітру на одиницю площі обмаху ротора вітроагрегата, що приймає значення в діапазоні [0,];

де – середньостатистичне значення надходження енергії вітру в j-тий день експлуатації;

– коефіцієнт потужності вітроагрегата;

– площа обмаху ротора в j-тий день експлуатації.

Рішення рівнянь 15 та 16 здійснюється за допомогою моделей, в основу яких покладений орієнтовний граф (рис.2), що поєднує відомості структурних схем і властивості їх компонентів.

Вершинами графа є складові структурних схем, що охоплюють повний перелік можливих (допустимих) сполучень структурних блоків. Ребра – зв’язки згідно заданих умов побудови структур. Граф має такі позначення:

X1 – надходження сумарної енергії сонячної радіації; X2 – надходження енергії вітру; X3 – енергія резервного (традиційного) джерела; Y1 – потреби спожива в тепловій енергії; Y2 – потреба споживача в електричній енергії.

В результаті аналізу графа отримані такі рівняння альтернатив:

(y1)1 = x1(1 - a) = E еф LS (1 - a) ;

(y1)2 = 1 x1 (1 - a) + а 2 x3, ;

(y1)3 = KH x1 (1 - a) ;

(y1)4 =1 x1 KH (1 - a) + а 2 x3;

(y1)5 = 1 x1 (1 - a) + а 3 x2,;

(y1)6 = x1 KBH (1 - a);

(y1)7 =1 x1 KBH (1 - a) + а 3 x2;

(y1)8 = x1 KB’H(1 - a) ;

(y1)9 =1 x1 (1 - a) + а 3 x2 (1 - b) ;

(y1)10 = KB’H 1 x1 (1 - a) + а 3 x2 (1 - b);

(y2)11 = x2(1 - b)= Е Lw (1 - b);

(y1)12 = x2(1-b)C-1TE а ;

(y1)13 =x1(1 - a’ - a”);

(y1)14 = x1 1 (1 - a’ - a”) + 3 x2 a”;

(y1)15 = x1 KH (1 - a’ - a”) ;

(y1)16 = x1 (1 - a’ - KH” a”);

(y1)17 = x1 KH(1 - a’ - KH” a”) ;

(y1)18 = x1 1 KH(1 - a’ - KH” a”) +2 x3 KH” a”;

(y1)19 = x1 1 (1 - a’ - a”) +2 x2 a” ;

(y1)20 = x1 KBH(1 - a’ - a”) ;

(y1)21 = x1KBH(1 - a’ - KBH” a”) ;

(y1)22 = x1 1 KBH (1 - a’ - KBH” a”) +2 x3 KBH” a”;

(y1)23 = 1 x1 (1 - a’ - a”) + 3 x2 a” (1 - b);

(y1)24 = x1 KB’H(1 - a’ - a”) ;

(y1)25 = x1 KB’H(1 - a’ - KB’H” a”);

(y1)26 = x1 1 (1 - a’ - KB’H” a”) +3 x2 KB’H” a”(1 - b) ,

де E - величина сумарної енергії сонячної радіації на похилу поверхню;

еф - ефективність сонячних колекторів;

LS – площа сонячних колекторів;

a’, a”- коефіцієнти втрат акумуляторів для першого і другого контура відповідно;

1 ,2 ,3 – вагові коефіцієнти потоків x1 ,x3 ,x2 відповідно;

KH - коефіцієнт пропорційності між вільним і вимушеним режимами теплообміну в сонячному колекторі;

KB’H , KB’H” - коефіцієнт пропорційності для джерела з вимушеним теплообміном задіяного з вітроагрегатом для першого і другого контура відповідно;

b – коефіцієнт втрат в акумуляторі;

Е - величина енергії вітру на одиницю площі, що обмітається ротором вуітроустановки;

- коефіцієнт потужності вітроустановки;

Lw – площа вітроколеса.

Сукупність всіх одноконтурних схем можна розбити, за принципом організації росту кількісних показників утилізації енергії сонячної радіації та вітру, на чотири групи:

І- 1, 3, 6 і 8 схеми - підпорядкованість межі збільшення величини утилізації енергії сонячної радіації на питому площу і зменшення потреб від традиційних джерел за рахунок використання енергії вітру;

ІІ - 2, 5 і 9 схеми - підпорядкованість межі підвищення надійності енергопостачання від енергії сонячної радіації та вітру і зменшення витрат від традиційних джерел за рахунок використання енергії вітру;

ІІІ - 4, 7 і 10 схеми являють комбінацію перших двох груп з метою дотримання технологічних вимог почасового графіка навантаження;

ІV - 11 і 12 схеми призначені для забезпечення електроенергетичних потреб.

В перших трьох групах використання енергії вітру підпорядковане збільшенню ступеню утилізації енергії сонячної радіації, величина якої залежить від кута нахилу поверхні нагрівання, ефективності сонячних колекторів, характеру теплообміну. Аналіз рівняння Клейна для надходження сумарної енергії сонячної радіації на похилу поверхню, при цільовій функції максимуму утилізації енергії, дозволив отримати величину кута нахилу поверхні при його регулюванні та сталому значенні напротязі доцільного періоду використання енергії сонячної радіації. Результати розрахунків вказують, що різниця між двома способами розміщення нагрівачів складає біля 1%, тобто регулювання на протязі сезону не потрібне.

Використовуючи узагальнені результати досліджень Міхеєва М.А., отриманий коефіцієнт порівняння вільного та вимушеного режимів теплообміну в колекторі геліонагрівача, який визначається:

e = 0,54K0 –1 Gr0,25 Pr-0,18 ( Pr / PrC )0,25 (17)

де К0 = (Re;Gr).

Середнє значення е після розв’язку рівняння (17), при нагріванні води від 20 0С до 60 0С складає 0,89.

Прагнення підвищити продуктивність колектора шляхом збільшення витрат теплоносія при наявності умов теплообміну другого та третього роду не виправдується, так як різниця температур “стінка-рідина” та коефіцієнт тепловіддачі знаходиться в гіперболічній залежності.

Отримані результати дозволили розробити методику розрахунку параметрів структурних схем технологічних засобів утилізації енергії сонячної радіації та вітру. Рівняння для одноконтурних схем приймають вигляд:

(y1)2 = 1 x1 (1 - a) + а 2 x3 ; (y1)4 = 1 x1 KH (1 - a) + а 2 x3 ;

(y1)5 = 1 x1 (1 - a) + а 3 x2; (y1)7 = 1 x1 KBH (1 - a) + а 3 x2;

(y1)9 = 1 x1 (1 - a) + а 3 x2 (1 – b); (y1)10 = KB’H 1 x1 (1 - a) + а 3 x2 (1 - b);

Або в загальному вигляді:

Аx + Bz = Cy, (18)

що являє собою невизначений тип рівняння. Якщо ліва частина рівняння визначена, тобто встановлені потреби споживача, то рівняння прийме вигляд:

ax + bz = d,

де x = x0 + I(a);

z = z0 - I(b),

де I - будь-яке ціле число.

Сукупність двоконтурних схем, як і одноконтурні, розбиті на чотири групи, внутрішнім параметром об’єднання є принцип збільшення виробітку енергії:

І- 13, 15, 20, 24 - підпорядкованість меті збільшення величини утилізації енергії сонячної радіації на питому площу і збільшення потреб від традиційних джерел за рахунок використання енергії вітру споживачами першого контуру;

ІІ-14, 19, 23 схеми - підпорядкованість меті підвищення надійності енергозабезпечення від енергії сонячної радіації і зменшення витрат від традиційних джерел за рахунок використання енергії вітру споживачами другого контуру;

ІІІ-16,17,21,25 схеми - підпорядкованість меті збільшення інтенсифікації теплообміну в другому контурі і зменшення потреб споживачів двох контурів від традиційних джерел за рахунок використання енергії вітру;

ІV-18,22,26 схеми - являють комбінацію трьох попередніх груп з метою дотримання технологічних вимог почасового графіка навантажень.

Проведення порівняльної оцінки одноконтурних і двоконтурних схем з врахуванням результатів робіт Авезова Р.Р., Ферта О.Р. дало змогу зробити висновок, що ефективність останніх нижча на 26…50%.

Четвертий розділ “ЕНЕРГЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ ПАРАМЕТРІВ

ГЕЛІОВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ ОБ’ЄКТІВ

СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА” присвячений обгрунтуванню алгоритму та проведенню енергетичного аналізу параметрів геліовітроенергетичного обладнання об’єктів сільськогосподарського виробництва.

Загальна особливість енергетичного аналізу полягає у визначенні взаємозв’язку між двома основними елементами процесу виробництва – функціями надходження енергії сонячної радіації і вітру та додаткових (традиційних) джерел і витрат:

H (y1; y2) = f(x1; x2; x3 ) – g(qi) const. (19)

де H (y1; y2) – функція технологічних вимог;

f(x1; x2; x3 ) – функція надходження енергії сонячної радіації та вітру і додаткових (традиційних) джерел;

g(qi) – функція витрат.

Залежність (19) є відображенням точки векторного простору, стан якого забезпечує незмінність дотримання виробничих вимог для і-того об’єкта. При цьому слід відмітити, що максимальне значення виконання функції вимог залежить від вектора витрат, так як надходження енергії сонячної радіації та вітру не залежить від споживача. Тобто існує така множина витрат, в якій:

-

-

Згідно аналізу коефіцієнта забезпечення графіка навантажень, сукупність технічних засобів використання енергії сонячної радіації та вітру, дозволяє перетворювати дані джерела на всій території України в періоди, що визначені при енергетичній оцінці надходження енергії сумарної сонячної радіації та вітру.

Показником віддачі системою вихідного продукту в деякій фіксованій точці векторного простору витрат, є межа вкладених витрат:

, (20)

де f – функція ефективності надходження енергії в системі;

gі – витрати при отриманні енергії в системі для енергозабезпечення і-того об’єкта виробництва;

g гр – граничне значення витрат.

Вираз (20) показує, що приріст виробітку енергії залежить від приросту вкладених витрат. При досягненні витрат деякого граничного значення, ефективність системи дорівнює нулю.

Теоретичне порівняння альтернатив енергозабезпечення, на основі критерія заповнення та неспівпадання графіка навантажень, довело необхідність проведення розрахунку параметрів технічних засобів для:

- вітроагрегатів при безпосередньому підключенню