CC BY
96
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
1
УДК: 638.147.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПАСЕЧНЫХ ХОЗЯЙСТВ НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕЛИОУСТАНОВКИ
Осташенков Алексей Петрович аспирант
Марийский государственный университет, Йошкар-Ола, Россия
Представлены программа, методика и результаты экспериментальных исследований функционирования комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев
Ключевые слова: МИКРОКЛИМАТ, ПЧЕЛИНЫЕ УЛЬИ, ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Введение. Для энергоснабжения лесных пасек предлагается использование автономного комплекса, в состав которого входят несколько типов преобразователей возобновляемой энергии, а также аккумуляторы тепловой и электрической энергии [1]. Структура автономного комплекса на базе комбинированной гелиоустановки представлена на рисунке 1.
8
Рисунок 1 - Структура комплекса
UDC: 638.147.7
EXPERIMENTAL RESEARCH OF ENERGY SUPPLYING SYSTEM OF APIARY BASED ON COMBINED SOLAR PLANT
Ostashenkov Aleksey Petrovich postgraduate student
Mariel State University of Technology, loshkar-Ola, Russia
We have presented the program, methodology and the results of the experimental research of the functioning of a complex for climate control of beehives
Keywords: SIMULATION, CLIMATE, BEEHIVES, RENEWABLE ENERGY SOURCES
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
2
Обозначения на рисунке 1:1 - тепловой аккумулятор (ТА); 2 -теплообменники; 3 - солнечный коллектор (СК); 4 - воздуховоды; 5 -полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП); 6 -аккумуляторные батареи (АКБ); 7 - ветроэлектрогенератор; 8 - контроллер заряда АКБ; 9 - система управления подачей теплоносителя в ульи.
Для подтверждения работоспособности предложенных схемноконструктивных решений системы энергообеспечения лесных пасек и проверки адекватности разработанной математической модели были проведены экспериментальные исследования функционирования комплекса.
Объектом исследования является комплекс для контроля микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной гелиоустановки;
Предметом исследований являются закономерности изменения эксплуатационных параметров системы энергообеспечения лесных пасечных хозяйств в течение периода зимовки пчелиных семей.
Цель: проведение экспериментальных исследований
функционирования системы энергообеспечения лесных пасек на базе комбинированной гелиоустановки.
Задачи работы:
-разработка методики экспериментальных исследований;
-проведение экспериментальных исследований функционирования системы энергообеспечения лесных пасечных хозяйств;
-анализ результатов экспериментальных исследований.
Условия экспериментальных исследований
Полигонные исследования функционирования комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев проводились в период с ноября по март 2013-2014 г. на базе центра коллективного пользования научным оборудованием «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» Г осударственного
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
3
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет».
Описание экспериментального образца. Для проведения полигонных исследований был изготовлен экспериментальный образец автономного комплекса, в состав которого вошли следующие изделия:
1) солнечный вакуумный коллектор (площадь апертуры 1 м );
2) тепловой аккумулятор (объем бака 1 м );
3) трубопроводы, а также теплообменники для передачи тепловой энергии между солнечным коллектором и тепловым аккумулятором, а также между тепловым аккумулятором и приточным воздухом;
4) воздуховоды;
5) систему управления подачей теплого воздуха в улей, включающую заслонки воздуховодов с сервоприводами, блок управления, вентиляторы, осуществляющие принудительную подачу воздуха внутрь улья;
6) полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь
'у
(площадь апертуры 1,3 м ) с контроллером Steca PR2020;
7) аккумуляторные батареи (АКБ емкостью 50 А*ч);
8) ветроэлектрогенератор (Ветроэнергетическая установка ВЭУ 500 (ометаемая площадь 4м ) с блоком управления БУ 500М-24);
Элементы экспериментальной установки представлены на рисунке 2.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
4
Рисунок 2 - Структура экспериментального комплекса
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
5
Описание контрольно-измерительной базы. Для измерения значений параметров использовались различные сенсоры, которые подключались к платформе Arduino Mega 2560, а также датчики, встроенные в контроллер полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей Steca PR2020. Комплекс был оборудован датчиками температуры и влажности, при помощи которых измерялись параметры наружного воздуха и воздуха внутри улья. Внешний вид и технические характеристики датчика температуры и влажности воздуха SHT1x [2] представлены соответственно на рисунке 3, таблице 1.
Рисунок 3 - Внешний вид датчика температуры и влажности воздуха
Таблица 1 - Технические характеристики датчика температуры и
влажности воздуха
Величина Значение
Диапазон температур, °С -40 - 128
Абсолютная погрешность по температуре, °С 0,3
Диапазон влажности, % 0 - 100
Абсолютная погрешность по влажности, % 2
Время реакции, с Не более 4 с.
Для измерения температуры теплоносителя теплового аккумулятора использовался датчик температуры DS18B20 [3], внешний вид и
технические характеристики которого представлены соответственно на рисунке 4, таблице 2.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
6
Рисунок 4 - Внешний вид датчика температуры DS18B20 Таблица 2 - Технические характеристики датчика температуры DS18B20
Величина Значение
Диапазон температур, °С -55 - 125
Абсолютная погрешность по температуре, °С 0,5
Время получения данных, с 750 мс при 12-битном разрешении; 94 мс при 9-битном разрешении
Тарировка датчиков SHT1x и DS18B20 проводилась путем сравнения показаний с эталонным термометром на стенде тарировки температурных датчиков.
Для измерения силы выходного тока полупроводникового фотоэлектрического преобразователя и ветроэлектрогенератора использовался сенсор тока ACS758 [4], внешний вид и технические характеристики которого представлены соответственно на рисунке 5, таблице 3.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
7
Рисунок 5 - Внешний вид сенсора тока ACS758 Таблица 3 - Технические характеристики сенсора тока ACS758
Величина Значение
Измеряемый ток: переменный или постоянный, А До 50
Рабочий диапазон температур, °С -40°C - 150°C
Кроме того для измерения значений эксплуатационных параметров комплекса использовались датчики встроенные в контроллер фотоэлектрического преобразователя Steca PR2020 [5].
Тарировка датчиков ACS758 и Steca PR2020 проводилась путем непосредственного сличения при помощи образцовых приборов (амперметров, вольтметров, ваттметров класса точности 0,2) и установок для поверки и градуировки электроизмерительных приборов. Условия тарировки датчиков соответствовали требованиям ГОСТ 8.497-83 [6].
Программа и методика экспериментальных исследований. Порядок проведения экспериментальных исследований заключался в следующем. На экспериментальном полигоне был установлен улей системы Дадана в условиях, соответствующих зимовке пчелиных семей на открытом воздухе. При этом пчелиная семья была заменена эквивалентным по мощности источником теплоты. Был произведен монтаж воздуховодов и другого технологического оборудования, относящегося к комплексу, на пчелиный улей. В результате на протяжении всего эксперимента
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
8
осуществлялось действие комплекса для контроля микроклимата на среду внутри улья. Длительность проведения опыта соответствовала периоду зимовки пчелиных семей.
В течение полигонных экспериментальных исследований функционирования комплекса на базе комбинированной гелиоустановки регистрировались следующие переменные:
1) температура и влажность воздуха снаружи улья;
2) температура и влажность воздуха внутри улья;
3) температура теплоносителя теплового аккумулятора;
4) сила тока в цепи «БУ 500М-24 - АКБ»;
5) сила тока в цепи «ФЭП - Steca PR2020»;
6) напряжение на АКБ;
7) количество энергии, переданное по цепи «Steca PR2020 -нагрузка».
Регистрация исследуемых величин производилась как вручную, путем визуального снятия показателей с дисплея контроллера Steca PR2020, так и автоматически, путем передачи значений измеренных величин с платформы Arduino Mega 2560 на персональный компьютер по беспроводной связи Bluetooth. В рамках проведения экспериментальных исследований была проведена одна серия опытов, что обусловлено результатами пробных экспериментов, а также техническими
характеристиками используемых датчиков.
Внешний вид экспериментальной установки на различных этапах исследований представлен на рисунке 6.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
9
ноябрь
январь
февраль
март
Рисунок 6 - Внешний вид экспериментальной установки
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
10
Мощность полупроводникового фотоэлектрического
преобразователя определялась по формуле:
р = ш, (1)
где р - мощность электрической энергии постоянного тока,
генерируемая полупроводниковым фотоэлектрическим преобразователем,
Вт;
/ - ток, протекающий в цепи «ФЭП - Steca PR2020», А; и - напряжение на выводах полупроводникового фотоэлектрического преобразователя, В.
Количество электрической энергии, переданное по цепи «Steca PR2020 - нагрузка» определялось по формуле:
W
(2)
где w - количество электрической энергии, переданное по цепи «Steca PR2020 - нагрузка», Вт*ч;
ч - количество А*ч, переданное по цепи «Steca PR2020 - нагрузка», и измеренное путем визуального снятия показателей с дисплея контроллера Steca PR2020, А*ч;
^ - номинальное выходное напряжение контроллера Steca PR2020, В.
После выполнения измерений, полученные данные усреднялись по отдельным суткам функционирования комплекса.
Анализ результатов. Результаты экспериментальных исследований функционирования комплекса представлены в виде графиков. На рисунке 7 представлены графики изменения среднесуточных температуры теплоносителя теплового аккумулятора (TTA, °К), напряжения на АКБ (иАКБ, В), мощности ФЭП и ВЭС, потребляемой электрической энергии в течение периода экспериментальных исследований (Q эл., Вт*ч).
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
11
а)
б)
в)
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
12
г)
окт окт ноя ноя дек дек янв янв фев фев мар мар мар апр Временной интервал моделирования, дни
д)
Рисунок 7 - Результаты экспериментальных исследований функционирования комплекса
На графиках красным цветом обозначены результаты экспериментальных исследований, синим - результаты моделирования функционирования комплекса для условий полигонных исследований, черным - линии тренда для экспериментальных данных.
В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие зависимости:
-изменение температуры теплоносителя теплового аккумулятора:
= -1E-11x6 + 6E-09x5 - 1E-06x4 + 0,0001x3 - 0,0026x2 - 0,1155x + 296,49; ff3 = 0,3322 (величина достоверности аппроксимации);
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
13
-изменение напряжения на АКБ:
= 2E-12x6 - 1E-09x5 + 2E-07x4 - 2E-05x3 + 0,001x2 - 0,0219x + 12,514;
Дя = 0,93S3 •
-изменение мощности ФЭП:
= 3E-11x6 - 1E-08x5 + 3E-06x4 - 0,0002x3 + 0,0067x2 - 0,0965x + 29,981; = = 0,7867 •
-изменение мощности ВЭС:
= 3E-11x6 - 1E-08x5 + 3E-06x4 - 0,0002x3 + 0,0067x2 - 0,0965x + 29,981;
R= = 0,7867 ;
-изменение потребляемой электрической энергии:
= -7E-12x6 + 5E-08x5 - 2E-05x4 + 0,004x3 - 0,2661x2 + 4,1927x + 611,47; Й3 = 0,5767 ;
Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований показало их совпадение в пределах 10% погрешности, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанных математических моделей.
Вывод. Сопоставление результатов математического моделирования работы комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев на базе комбинированной гелиоустановки и экспериментальных исследований его функционирования показало их совпадение в пределах 10% погрешности, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанных математических моделей.
Библиографический список
1. Е.М. Онучин, А.П. Осташенков Автономный комплекс для контроля микроклимата пчелиных ульев / «Наука, образование и техника: итоги 2013 года»: материалы Х Международной научно-практической конференции (Т.2). Донецк. 2013. С. 82.
2. Датчик температуры и влажности SHT1x // Амперка. 2014. URL:
http://amperka.ru/product/temperature-humidity-sensor-sht1x (дата обращения:
14.09.2014) .
3. Герметичный датчик температуры DS18B20 // Амперка. 2014. URL:
http://amperka.ru/product/sealed-temperature-sensor-ds18b20 (дата обращения:
14.09.2014) .
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
14
4. Сенсор тока ACS758 // Амперка. 2014. URL: http://amperka.ru/product/current-sensor-acs758 (дата обращения: 14.09.2014).
5. Steca PR2020 // Steca Elektronik. 2014. URL:
http://www.steca.com/index.php?PR_10-30_en (дата обращения: 14.09.2014).
6. ГОСТ 8.497-83 Государственная система обеспечения единства измерений. Амперметры, вольтметры, ваттметры, варметры. Методика поверки. URL: http://vsegost.com/Catalog/50/5016.shtml (дата обращения: 14.09.2014).
References
1. E.M. Onuchin, A.P. Ostashenkov Avtonomnyj kompleks dlja kontrolja mikroklimata pchelinyh ul'ev / «Nauka, obrazovanie i tehnika: itogi 2013 goda»: materialy H Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii (T.2). Doneck. 2013. S. 82.
2. Datchik temperatury i vlazhnosti SHT1x // Amperka. 2014. URL:
http://amperka.ru/product/temperature-humidity-sensor-sht1x (data obrashhenija:
14.09.2014) .
3. Germetichnyj datchik temperatury DS18B20 // Amperka. 2014. URL:
http://amperka.ru/product/sealed-temperature-sensor-ds18b20 (data obrashhenija:
14.09.2014) .
4. Sensor toka ACS758 // Amperka. 2014. URL: http://amperka.ru/product/current-sensor-acs758 (data obrashhenija: 14.09.2014).
5. Steca PR2020 // Steca Elektronik. 2014. URL:
http://www.steca.com/index.php?PR_10-30_en (data obrashhenija: 14.09.2014).
6. GOST 8.497-83 Gosudarstvennaja sistema obespechenija edinstva izmerenij.
Ampermetry, vol'tmetry, vattmetry, varmetry. Metodika poverki. URL:
http://vsegost.com/Catalog/50/5016.shtml (data obrashhenija: 14.09.2014).
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/010.pdf
