Завей-Борода Владимир Русланович. Обоснование рациональных параметров и режимов энергосберегающих облучательных установок в защищенном грунте

Краткое описание

Завей-Борода Владимир Русланович. Обоснование рациональных параметров и режимов энергосберегающих облучательных установок в защищенном грунте : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.02.- Красноярск, 2005.- 124 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-5/616

Красноярский государственный аграрный университет
На правах рукописи

Завей-Борода Владимир Русланович
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК В
ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ
05.20.02 Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
д.т.н. профессор Цугленок Николай Васильевич
Красноярск 2005
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. Обзор существующих облучательных установок в защищенном
грунте 9
1.2. Анализ характеристик существующих облучательных приборов 19
1.3. Пути повышения эффективности облучательных установок в
защищенном грунте 21
1.4. Требования к облучательным установкам 28
1.5. Выводы 29
Глава 2 . МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК 30
2.1. Анализ общих положений теории световых приборов 30
2.2. Методы расчета зеркальных отражателей 33
2.3. Построение моделей, связывающих факторы работы облучательной
установки 44
2.4. Энергетическая оценка источников лучистой энергии для
облучателей 53
2.5. Выводы 59
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК 60
3.1. Методика проведения эксперимента 60
3.2. Выявление эффективных (энергосберегающих) режимов
выращивания растений 64
3.3. Обоснование энергосберегающей технологии выращивания растений 66
3.4. Выводы 72
з
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЛУЧАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 73
4.1. Методика проектирования формы экспериментального отражающего
устройства облучателя 73
4.2. Составление технического задания на опытно-конструкторскую
разработку 82
4.3. Выводы 87
Глава 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОБЛУЧАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА 87
5.1. Расчет капитальных вложений для облучательной установки 88
5.2. Расчет годовых эксплуатационных затрат 90
5.3. Расчет годового экономического эффекта от внедрения облучателя с
учетом изменения режима работы 91
5.4. Выводы... 93
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 94
ЛИТЕРАТУРА 96
ПРИЛОЖЕНИЯ 104
ВВЕДЕНИЕ
На получение оптического излучения (ОИ) в сельском хозяйстве расходуется примерно 20% потребляемой электроэнергии. Достоинства ОИ как фактора энергетического и регуляторного воздействия на биологические объекты общеизвестны: экологическая чистота, легкая управляемость, простота и дешевизна генераций. Доступная возможность получения требуемых параметров пространственного распределения потока ОИ, его спектрального распределения и интенсивности облучения позволяют говорить об ОИ как о средстве тонкого целевого воздействия с большим эффектом. Общеизвестна также экономическая эффективность применения ОИ. Несмотря на эти и другие достоинства, масштабы применения ОИ в сельском хозяйстве в настоящее время даже в регионах с высоким уровнем электрификации соответствуют примерно 20-25% потребности. Это объясняется в основном ограниченностью номенклатуры технических средств облучения, низкой надежностью их работы, недостаточной обоснованностью нормативных параметров и несовершенством методов оптимизационных расчетов установок [1].
В современных условиях при постоянном росте тарифов на энергоносители и электроэнергию существует необходимость энергосбережения и повышения продуктивности рассады, на досвечивание которой затрачивается до 30 - 40 % от общих затрат электроэнергии.
При поставке в отрасль недорогой, но несоответствующей эксплуатационным требованиям светотехнической продукции, а именно, промышленных облучателей, меры по энергосбережению остаются
неэффективными.
Существующее положение требует мер и решений, способных вывести светотехнику защищенного грунта из создавшихся сложных условий.
Актуальность темы. В реальных условиях рыночной экономики большинство тепличных предприятий являются убыточными или
нерентабельными в связи с нерациональным использованием электроэнергии. Как правило, это обусловлено неоправданно большим количеством облучателей с несовершенными конструкциями, морально устаревшими способами питания облучательных установок. Создание действительно высокоэффективных облучательных установок возможно при внедрении в отрасли новых технологий облучения.
В теплицах на нужды облучения затрачивается до 30-40 % от общих энергозатрат, что показывает на необходимость поиска резерва
энергосбережения.
Известно, что путями энергосбережения в осветительных и облучательных установках являются:
- замена источников излучения на другие, с более высокой светоотдачей;
- использование светильников с оптимальными параметрами светораспределения;
- применение автоматических систем управления световым потоком.
Существующие в настоящее время схемы облучения на основе устаревших
облучательных приборов (светильников) являются низкоэффективными и не позволяют внедрять новые технологии облучения в защищенном грунте.
Поэтому разработка новых облучателей, позволяющих не только сократить расход энергии, но и значительно повысить качество готовой продукции за счет совершенствования осветительных приборов, весьма актуальна.
Исследования по данному направлению проводились по плану НИР КрасГАУ в соответствии с заданием 03.02 на тему: «Разработать энергоресурсосберегающие технологии и новые электрофизические методы воздействия на биообъекты» Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2001-2005 гг.
• Цель работы. Обосновать рациональные параметры и режимы облучательных установок в защищенном грунте для снижения энергозатрат и повышения продуктивности растений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
- провести анализ существующих облучательных установок и способов повышения эффективности облучательных установок;
- разработать модель и рассмотреть влияние различных факторов на работу облучательной установки с целью выявления резервов
• энергосбережения;
- разработать методику экспериментальных исследований облучателей, изготовить опытный образец и провести исследование параметров облучательной установки;
- провести исследования по выбору рациональных параметров облучательной установки и определить наиболее эффективные режимы
• выращивания растений;
- дать технико-экономическое обоснование модернизированного облучательного устройства.
Объект исследования. Облучательные установки для сооружений защищенного грунта.
Предмет исследования. Закономерности взаимодействия параметров облучательной установки.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического и физического моделирования с использованием измерительной и вычислительной техники. Методы геометрической оптики.
Научная новизна исследований:
- установлены закономерности влияния параметров на энергопотребление облучательной установки в процессе эксплуатации;
- разработаны способы повышения эффективности облучательных
установок;
- разработан облучательный прибор с изменяющимися светотехническими характеристиками, позволяющий реализовать энергосберегающие режимы облучения.
Практическая значимость работы. Разработанные техническое задание и техническая документация позволяют организовать производство облучателей для сооружений защищенного грунта и рекомендованы проектным организациям.
Реализация результатов:
- техническая документация на облучательное устройство принята к внедрению в ОАО КБ «Искра»;
- опытный образец облучателя для теплиц прошел производственные испытания в условиях МП «Совхоз цветочных и древесно-декоративных культур «Октябрьский» города Красноярска;
- опытный образец используется в учебном процессе в качестве лабораторного оборудования.
Автор защищает:
- закономерности изменения светораспределения облучательных установок, позволяющие реализовать энергосберегающие режимы облучения;
- способы повышения эффективности облучательных установок;
- конструкцию облучательного прибора с изменяющимися светотехническими характеристиками.
Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись и обсуждались на всероссийских и региональных конференциях, в частности:
- III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности топливно-энергетического комплекса» (г. Красноярск, 2002 г.);
- IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы энергообеспечения города» (г. Красноярск, 2003 г.);
- V Всероссийской научно-практической конференции «Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы» (г. Красноярск, 2004 г.);
- Региональной научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2004 г.);
- X Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2004 г.).
Содержание работы:
В первой главе приведены обзор существующих облучательных систем и установок и анализ способов повышения эффективности облучательных систем, приводятся требования к облучательным установкам.
Во второй главе рассмотрена взаимосвязь условий эксплуатации с светотехническими характеристиками облучательного прибора, разработаны критерии наиболее рационального источника излучения.
В третьей главе описывается методика экспериментальных исследований облучателей. Изготовлен опытный образец и проведены исследования параметров облучательного устройства.
В четвертой главе приводится методика расчета отражающего устройства, выбор и технические требования, предъявляемые к облучательным установкам для выращивания растений в защищенном грунте.
В пятой главе дано технико-экономическое обоснование применения облучательного прибора.
В заключении приведены результаты и выводы по диссертационной работе.
В приложении приведены материалы: программа расчета отражателя, техническое задание на облучатель, акты внедрения облучательной установки.

Список литературы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Проведенный анализ показал, что наиболее рациональным способом повышения энергетического КПД облучателей в настоящее время является совершенствование новейших типов облучателей путем конструктивных решений (доработок).
При этом необходимо для реконструированных светильников использовать источники с высокими энергетическими показателями.
Для оптической системы необходимо использовать материалы с высокими отражающими свойствами для снижения энергозатрат.
2. Для исключения потерь лучистого потока следует использовать облучатели с кривой силы света, обеспечивающие разность уровней облученности в поле облучения не более 10 %.
Основным путем повышения эффективности облучательного прибора является повышение коэффициента использования кривой силы света, что может быть достигнуто изменением ее в процессе эксплуатации, улучшение отражающих свойств отражателя, использования ламп с высокой светоотдачей и стабильной характеристикой светоотдачи на весь срок эксплуатации.
3. Разработан облучатель на базе существующего облучателя типа ЖСП 37-400, отличающийся установкой нового отражателя и боковых отражающих пластин для перераспределения лучистого потока в пространстве и равномерного облучения путем регулирования кривой силы света светильника.
Под предложенным облучателем сроки созревания сокращались. При модернизированном варианте первые 40 % урожая появилось на 20 день, 98 % - на 26 день. В базовом варианте - первый урожай 40 % появился на 25 день, 96 % - 32 день. Сэкономленная энергия выражается в сокращении времени работы ОбУ на 6 дней. При одинаковой установленной мощности создается повышение облученности на рабочей площади выращивания в 1,5 раза. Применение таких облучателей повышает экономическую
эффективность растениеводства в защищенном грунте за счет ускорения созревания продукции и может быть легко реализовано с сельском хозяйстве.
4. Построенный облучатель позволяет регулировать кривую силы света облучательного прибора в пределах от концентрированной до широкой, заданных техническим заданием, для интенсификации процесса выращивания растений.
Запроектированный облучательный прибор (патент РФ №42867 «Облучатель») показал стабильные характеристики при изменении параметров для обеспечения световой среды на разных стадиях выращивания для повышения эффективности ОП и экономии электроэнергии (прил. 3).
В результате реализации предлагаемого проекта с установкой облучателей нового поколения годовая экономия в текущих затратах составит 7208 руб/год и будет получен дополнительный доход в размере 29572 руб/год.