Экспериментальное исследование системы энергообеспечения пасечных хозяйств на базе комбинированной гелиоустановки

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК: 638.147.7

UDC: 638.147.7

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПАСЕЧНЫХ ХОЗЯЙСТВ НА БАЗЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕЛИОУСТАНОВКИ

EXPERIMENTAL RESEARCH OF ENERGY SUPPLYING SYSTEM OF APIARY BASED ON COMBINED SOLAR PLANT

Осташенков Алексей Петрович

аспирант

Ostashenkov Aleksey Petrovich

postgraduate student

Марийский государственный университет, Йошкар-Ола, Россия

Mariel State University of Technology, Ioshkar-Ola, Russia

Представлены программа, методика и результаты экспериментальных исследований функционирования комплекса для контроля микроклимата пчелиных ульев

Ключевые слова: МИКРОКЛИМАТ, ПЧЕЛИНЫЕ УЛЬИ, ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

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

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.

Рисунок 1 - Структура комплекса

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 схемно-конструктивных 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» Государственного 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:

солнечный вакуумный коллектор (площадь апертуры 1 м2);

тепловой аккумулятор (объем бака 1 м3);

трубопроводы, а также теплообменники для передачи тепловой энергии между солнечным коллектором и тепловым аккумулятором, а также между тепловым аккумулятором и приточным воздухом;

воздуховоды;

систему управления подачей теплого воздуха в улей, включающую заслонки воздуховодов с сервоприводами, блок управления, вентиляторы, осуществляющие принудительную подачу воздуха внутрь улья;

полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (площадь апертуры 1,3 м2) с контроллером Steca PR2020;

аккумуляторные батареи (АКБ емкостью 50 А*ч);

ветроэлектрогенератор (Ветроэнергетическая установка ВЭУ 500 (ометаемая площадь 4м2) с блоком управления БУ 500М-24);

Элементы экспериментальной установки представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура экспериментального комплекса

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

экспериментальный микроклимат пчелиный улей

Таблица 1 - Технические характеристики датчика температуры и влажности воздуха

Для измерения температуры теплоносителя теплового аккумулятора использовался датчик температуры DS18B20 [3], внешний вид и технические характеристики которого представлены соответственно на рисунке 4, таблице 2.

Рисунок 4 - Внешний вид датчика температуры DS18B20

Таблица 2 - Технические характеристики датчика температуры DS18B20

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.

Рисунок 5 - Внешний вид сенсора тока ACS758

Таблица 3 - Технические характеристики сенсора тока ACS758

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 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:

температура и влажность воздуха снаружи улья;

температура и влажность воздуха внутри улья;

температура теплоносителя теплового аккумулятора;

сила тока в цепи «БУ 500М-24 - АКБ»;

сила тока в цепи «ФЭП - Steca PR2020»;

напряжение на АКБ;

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.

Рисунок 6 - Внешний вид экспериментальной установки

Мощность полупроводникового фотоэлектрического преобразователя определялась по формуле:

где - мощность электрической энергии постоянного тока, генерируемая полупроводниковым фотоэлектрическим преобразователем, Вт;

- ток, протекающий в цепи «ФЭП - Steca PR2020», А;

- напряжение на выводах полупроводникового фотоэлектрического преобразователя, В.

Количество электрической энергии, переданное по цепи «Steca PR2020 - нагрузка» определялось по формуле:

где - количество электрической энергии, переданное по цепи «Steca PR2020 - нагрузка», Вт*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 (UАКБ, В), мощности ФЭП и ВЭС, потребляемой электрической энергии в течение периода экспериментальных исследований (Q эл., Вт*ч).

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; (величина достоверности аппроксимации);

-изменение напряжения на АКБ:

= 2E-12x6 - 1E-09x5 + 2E-07x4 - 2E-05x3 + 0,001x2 - 0,0219x + 12,514; ;

-изменение мощности ФЭП:

= 3E-11x6 - 1E-08x5 + 3E-06x4 - 0,0002x3 + 0,0067x2 - 0,0965x + 29,981; ;

-изменение мощности ВЭС:

= 3E-11x6 - 1E-08x5 + 3E-06x4 - 0,0002x3 + 0,0067x2 - 0,0965x + 29,981; ;

-изменение потребляемой электрической энергии:

= -7E-12x6 + 5E-08x5 - 2E-05x4 + 0,004x3 - 0,2661x2 + 4,1927x + 611,47; ;

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).

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).

Размещено на Allbest.ru