CC BY
44
УДК: 638.147.7
А. П. Осташенков Марийский государственный университет, г. Йошкар-Ола
Исследование функционирования комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев
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 ком -плекса, в состав которого входят несколько ти-пов преобразователей возобновляемой энергии, а также аккумуляторы тепловой и электрической энергии [5]. Структура автономного комплекса на базе комбинированной гелиоустановки представлена на рисунке 1.
I
—«V 4
. к
Рисунок 1 — Структура комплекса: 1 — тепловой аккумулятор (ТА); 2 — теплообменники; 3 — солнечный коллектор (СК); 4 — воздуховоды;
5 — полупроводниковые фотоэлектрические преобразова -тели (ФЭП); 6 — аккумуляторные батареи (АКБ);
7 — ветроэлектрогенератор; 8 — контроллер заряда АКБ; 9 — система управления подачей теплоносителя в ульи
Для подтверждения работоспособности предложенных схемно-конструктивных решений системы энергообеспечения лесных пасек и провер -ки 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 исследова-ний 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 гг. на базе центра коллективного пользования научным оборудованием «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» [8] Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет».
Описание экспериментального образца. Д ля проведения полигонных исследований был изготовлен экспериментальный образец автономного комплекса, в состав которого вошли следующие изделия:
1) солнечный вакуумный коллектор (площадь апертуры 1 м2);
2) тепловой аккумулятор (объем бака 1 м3);
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 (площадь апертуры 1,3 м2) с контроллером Steca PR2020 [10];
7) аккумуляторные батареи (АКБ емкостью 50 А • ч);
8)ветроэлектрогенератор (ветроэнергетическая установка ВЭУ — 500 [2] (ометаемая площадь 4 м2) с блоком управления БУ 500М-24 [1]);
Программа и методика экспериментальных исследований. Порядок проведения экспериментальных исследований заключался в следующем. На экспериментальном полигоне был установлен улей системы Дадана [7] 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 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 [3; 4; 6] на персональный компьютер по беспроводной связи Bluetooth [9].
14 28 11 25 9 23 6 20 3 17 В 17 31 14 окт окт ноя ноя дек дек янв янв фев фев мар мар мар апр Временной интервал моделирования, дни
а)
окт окт ноя ноя дек дек янв янв фев фев мар мар мар апр Временной интервал моделирования, дни
б)
100,000
90,000
80,000
с 70,000
е 60,000
с 50,000
о X 40,000
Э 30,000
S 20,000
10,000
0,000
у = ЗЕ-llx6 - 1Е-08Х5 + ЗЕ-Обх4 - 0,0002х3 + 0,0067х2 - 0,0965х +
29,981
14 28 11 25 9 23 6 20 3 17 3 17 31 1 окт окт ноя ноя дек дек янв янв фев фев мар мар мар апр Временной интервал моделирования, дни
в)
800, 700, 600, С 50°.
сs
400,
а
ООО ООО ООО ООО ООО 300,000 200,000 100,000 0,000
V = -7E-12X6 + 5Е-08Х5 - 2E-05X4 + 0.004Х3- 0.2бб1х2+4.1927х +
611,47
R' = 0,8767
14 28 11 25 9 23 6 20 3 17 3 17 31 14 окт окт ноя ноя дек дек янв янв фев фев мар мар мар апр Временной интервал моделирования, дни
д)
Рисунок 2 — Результаты экспериментальных исследований функционирования комплекса
Анализ результатов. Результаты эксперимен-тальных исследований функционирования комплекса представлены в виде графиков. На рисунке 2 представлены графики изменения среднесуточных температуры теплоносителя теплового аккумулятора (ТТА, °К), напряжения на АКБ (иАкБ, В), мощности ФЭП и ВЭС, потребляемой электрической энергии в течение периода экспериментальных исследований (<2 эл., Вт • ч).
На графиках пунктирной линией обозначены результаты экспериментальных исследований, черной толстой линией — результаты моделирования функционирования комплекса для условий полигонных исследований, черной тонкой линией — линии тренда для экспериментальных данных.
В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие зависимости:
- изменение температуры теплоносителя теплового аккумулятора:
Тта = -1Е - 11х6 + бЕ - 09х5 - 1Е - 0бх4 + + 0,0001х3 - 0,002бх2 - 0,1155х + 29б,49; Я2 = 0,9322 (величина достоверности аппроксимации);
- изменение напряжения на АКБ:
иАКБ = 2Е - 12хб - 1Е - 09х5 + 2Е - 07х4 - 2Е -
- 05х3 + 0,001х2 - 0,0219х + 12,514; Я2 = 0,9383;
- изменение мощности ФЭП:
Рфэп = 3Е - 11х6 - 1Е - 08х5 + 3Е - 0бх4 -0,0002х3 + 0,00б7х2 - 0,09б5х + 29,981; Я2 = 0,78б7;
- изменение мощности ВЭС:
Рвэс = 3Е - 11х6 - 1Е - 08х5 + 3Е - 0бх4 -
- 0,0002х3 + 0,00б7х2 - 0,09б5х+29,981; Я2 = 0,78б7;
- изменение потребляемой электрической энергии:
2эл = -7Е - 12хб + 5Е - 08х5 - 2Е - 05х4 + + 0,004х3 - 0,2бб1х2 + 4,1927х + б11,47; Я2 = 0,87б7.
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.
1. БУ 500М-24 // Современные электрические технологии. 2014. URL: http://sovelteh.ru/k101.htm (дата обращения: 14.09.2014).
2. Ветроэнергетическая установка ВЭУ-500 // Borawind. 2014. URL: http://borawind.narod.ru/500-1.htm (дата обращения: 14.09.2014).
3. Герметичный датчик температуры DS18B20 // Ам-перка. 2014. URL: http://amperka.ru/product/sealed-temperature-sensor-ds18b20 (дата обращения: 14.09.2014).
4. Датчик температуры и влажности SHT1x // Амперка. 2014. URL: http://amperka.ru/product/temperature-humidity-sensor-sht1x (дата обращения: 14.09.2014).
5. Онучин Е. М., Осташенков А. П. Автономный комплекс для контроля микроклимата пчелиных ульев // Наука, образование и техника: итоги 2013 года: материалы Х международной научно-практической конференции. Донецк.
2013. Т. 2. С. 82.
6. Сенсор тока ACS758 // Амперка. 2014. URL: http://amperka.ru/product/current-sensor-acs758 (дата обращения: 14.09.2014).
7. Улей системы Дадана-Блатта // Все о пчеловодстве.
2014. URL: http://dom-pchely.com.ua/beehive/66-ulej-sistemy-dadana-blatta (дата обращения: 14.09.2014).
8. Центр коллективного пользования // ФГБОУ ВПО «ПГТУ». 2014. URL: http://ccu.volgatech.net/ (дата обращения: 14.09.2014).
9. Bluetooth Bee // Амперка. 2014. URL: http://amperka.ru/product/bluetooth-bee (дата обращения: 14.09.2014).
10. Steca PR2020 // Steca Elektronik. 2014. URL: http://www.steca.com/index.php7PR_10-30_en (дата обращения: 14.09.2014).
1. BU 500M-24 // Sovremennye elektricheskie tekhnologii. 2014. URL: http://sovelteh.ru/k101.htm (data obrashcheniya: 14.09.2014).
2. Vetroenergeticheskaya ustanovka VEU-500 // Borawind. 2014. URL: http://borawind.narod.ru/500-1.htm (data obrashcheniya: 14.09.2014).
3. Germetichnyy datchik temperatury DS18B20 // Amperka. 2014. URL: http://amperka.ru/produtst/sealed-temperature-sensor-ds18b20 (data obrashcheniya: 14.09.2014).
4. Datchik temperatury i vlazhnosti SHT1kh // Amperka. 2014. URL: http://amperka.ru/produtst/temperature-humidity-sensor-sht1kh (data obrashcheniya: 14.09.2014).
5. Onuchin E. M., Ostashenkov A. P. Avtonomnyy kompleks dlya kontrolya mikroklimata pchelinykh ulyev // Nauka, obra-zovanie i tekhnika: itogi 2013 goda: materialy X mezhdunarod-noy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Donetsk. 2013. T. 2. S. 82.
6. Sensor toka ATSS758 // Amperka. 2014. URL: http://amperka.ru/produtst/tsurrent-sensor-atss758 (data obrashcheniya: 14.09.2014).
7. Uley sistemy Dadana-Blatta // Vse o pchelovodstve. 2014.
URL : http://dom-pchely.tsom.ua/beehive/66-uley-sistemy-dadana-blatta (data obrashcheniya: 14.09.2014).
8. Tsentr kollektivnogo polzovaniya // FGBOU VPO «PGTU». 2014. URL: http://tstsu.volgatech.net/ (data obrashcheniya: 14.09.2014).
9. Bluetooth Bee // Amperka. 2014. URL: http://amperka.ru/produtst/bluetooth-bee (data obrashcheniya: 14.09.2014).
10. Stetsa PR2020 // Stetsa Elektronik. 2014. URL: http://www.stetsa.tsom/indekh.php7PR_10-30_en (data obrashcheniya: 14.09.2014).
Alexey P. Ostashenkov Mari State University, Yoshkar-Ola
The Research on the Functioning of the Complex to Control the Alveary Microclimate
The programme, methods and results of experimental research on the functioning of the complex to control the alveary microclimate have been presented.
Key words: microclimate, alveary, renewable energy sources.
