Разработка автоматизированных лабораторных практикумов по изучению солнечной теплогенерирующей установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Современные тенденции развития теплогенерирующих установок

1.1 Теплогенерирующая установка

1.2 Обзор теплогенерирующих установок

1.2.1 Солнечная теплогенерирующая установка (СТУ)

Глава 2. Автоматизированные лабораторные практикумы в режиме удаленного доступа

2.1 Обзор лабораторий удаленного доступа

2.1.1 Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им. Н. Э. Баумана

2.1.2 Портал «Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом через сеть internet к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования»

2.1.3 Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа Российского университета дружбы народов

2.1.4 Всемирная студенческая лаборатория WWSL - World Wide Student Laboratory

2.1.5 Labicom.net - on-line платформа удаленного доступа к экспериментальным комплексам для образования

2.2 Сравнительный анализ ЛУД

Глава 3. Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований «Солнечная теплогенерирующая установка» в режиме удаленного доступа

3.1 Постановка задачи

3.2 Солнечная теплогенерирующая установка учебно-научной лаборатории АУЭС «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии»

3.3 Разработка структуры и постановка задачи АСЭИ СТУ

3.4 Создание web - сайта

3.4.1 Описание языка PHP

3.4.2 Фреймворк Bootstrap

3.4.3 Создание web - сайта АСЭИ СТУ на PHP

3.4.4 Реализация удаленного доступа к лабораторному стенду

Глава 4. Разработка автоматизированного лабораторного практикума Солнечной теплогенерирующей установки

4.1 Разработка виртуальной лабораторной работы СТУ в среде Lab View Real Time

4.1.1 Описание среды графического программирования LabVIEW

4.1.2 ВЛР «Исследование характеристик солнечной теплогенерирующей установки»

4.2 Разработка интерфейса для работы на физическом стенде

4.3 Разработка базы данных в СУБД MS SQL

4.3.1 Системный анализ предметной области

4.3.2 Инфологическое проектирование

4.3.3 Датологическое проектирование

4.3.4 Физическое проектирование

4.3.5 Создание базы с помощью MS SQL

4.4 Результаты теплового расчета СТУ

4.4.1 Проведение виртуальных экспериментов

4.4.2 Проведение физического эксперимента

Глава 5. Разработка лабораторных работ по вводу/выводу дискретных сигналов в систему сбора данных NI PCI-6221 с помощью терминальной коробки DAQmx

5.1 Система сбора данных

5.2 Программное обеспечение для систем сбора данных NI

5.2.1 Инструментальный драйвер NI-DAQ

5.2.2 Проводник по средствам измерений и автоматизации

5.2.3 Обзор ВП NI-DAQmx

5.3 Описание учебного лабораторного стенда ССД

5.3.1 Терминальная коробка для устройств сбора данных

5.3.2 Кабель

5.3.3 Устройство сбора данных

5.4Комплекс лабораторных работ

5.4.1 Лабораторная работа «Изучение способов подсчета фронтов»

5.4.2 Лабораторная работа «Буферизированный подсчет конечного числа импульсов»

5.4.3 Лабораторная работа «Создание ВП для генерации отдельного импульса, используя счетчик»

Заключение

Список литературы

Перечень сокращений

Приложения

Введение

Сегодня как в Казахстане, так во всем мире, очень актуальны две взаимосвязанные проблемы: эффективное потребление топливно-энергетических ресурсов и уменьшение эмиссий углекислого газа в атмосферу. В условиях уменьшения природных запасов органического топлива становится нерациональным сжигание угля, газа и нефтепродуктов в многомиллионных котельных установках и индивидуальных топочных агрегатах, вызывающее большое количество вредных эмиссий в атмосферу и существенное ухудшение экологической обстановки в городах и мире.

Одним из действенных путей снижения использования природных ресурсов является использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь, солнечной энергии, аккумулируемой в грунте, водоемах, воздухе.

Актуальность и перспективность данного направления выработки энергии обусловлены двумя основными факторами: катастрофически тяжелым положением экологии и необходимостью поиска новых видов энергетических ресурсов. Основное преимущество солнечной энергии - неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики не только за рубежом, но и в нашей стране развиваются большими темпами. Одним из таких примеров является наш университет.

В Алматинском университете энергетики и связи в учебно-научной лаборатории «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» в течение последних 7 лет разрабатываются несколько автоматизированных лабораторных практикумов (АЛП) на базе автоматизированных систем экспериментальных исследований (АСЭИ) для исследования различных объектов: фотоэлектрической станции, ветроустановки, котельной установки, станции метеонаблюдений, солнечной теплогенерирующей установки, тригенерационной установки.

Основная цель работы заключается в применении новейших компьютерных технологий и свойств сети Интернет в учебном процессе при разработке АЛП по изучению солнечной теплогенерирующей установки (СТУ).

Принцип, заложенный в основу концепции лабораторий удаленного доступа, уже давно используется в различных областях человеческой деятельности, в особенности в науке и технике. Например, приборы и аппараты, предназначенные для изучения таких объектов, прямой контакт человека с которыми по ряду причин невозможен, всегда управлялись человеком на расстоянии, в том числе и задолго до появления персональных компьютеров и компьютерных сетей.

В этом случае дистанционное управление аппаратурой и проведение с ее помощью удаленных экспериментов осуществлялось с помощью специально создаваемых приспособлений, способных передавать команды оператора на нужное расстояние любым доступным в то время способом - последовательностями электрических сигналов через соединительные кабели, посредством радиосвязи и т.п. Классической иллюстрацией подобного подхода являются:

- методы управления с Земли беспилотными летательными аппаратами и другими искусственными космическими объектами;

- управление роботами, контактирующими с вредными или взрывоопасными веществами;

- управление зондами для изучения верхних слоев атмосферы или проведения глубоководных либо подземных экспериментов;

- и многое другое.

Появление и развитие сети Интернет, приведшее к значительному упрощению электронной связи и давшее возможность легко подключиться с любого персонального компьютера к другому персональному компьютеру или высокопроизводительному серверу в любой точке планеты, позволило сформировать и воплотить в жизнь концепцию удаленного управления оборудованием реальных лабораторий. На начальном этапе своего развития данная концепция подразумевала только интеграцию в обучающий процесс в технических университетах, в том числе в системе дистанционного образования. Студент, получающий образование заочно, теперь мог выполнять задачи университетского лабораторного практикума, не выходя из дома, при помощи своего персонального компьютера управляя учебной аппаратурой, расположенной в университетской лаборатории.

Однако позже были постепенно реализованы на практике во многих странах другие возможности лабораторий удаленного доступа:

- повышение эффективности обучения студентов при помощи коллективного удаленного доступа к одной и той же экспериментальной установке;

- экономия средств на дублирование одной и той же экспериментальной установки в студенческом практикуме, которое становится ненужным при организации к ней удаленного доступа;

- работа на дорогостоящем уникальном оборудовании, недоступном физическим пользователям;

- упрощение и удешевление проведения реальных научных экспериментов, не требующих теперь приобретения реального экспериментального оборудования или командировок в научные центры, этим оборудованием располагающие (что особенно актуально для нашей страны);

- и другие применения, прежде всего коммерческой направленности.

Следует подчеркнуть отличие понятия «лаборатории удаленного доступа» не только от обычной, реальной лаборатории, эксперименты в которой проводятся традиционным способом и требуют присутствия экспериментатора возле реального оборудования. Данное отличие очевидно. Однако, лаборатория удаленного доступа отличается и от «виртуальной лаборатории». Доступ к виртуальной лаборатории, как и к удаленной, также осуществляется через компьютер, в том числе, возможно, и по сети Интернет.

В случаях, когда по причинам экономического характера доступ к аппаратуре часто бывает ограничен - самым эффективным решением проблемы является создание виртуальных лабораторных работ. В виртуальной лаборатории всё реальное оборудование полностью заменено симулирующей его работу компьютерной программой. Таким образом, вместо реального физического процесса виртуальная лаборатория позволяет изучить математическую модель физического явления.

Поэтому, виртуальная лаборатория используется исключительно для обучения. В противовес этому, лаборатория удаленного доступа может использоваться не только для обучения, но и для проведения реальных исследований во многих областях науки и техники с использованием уникального дорогостоящего оборудования, установленного в крупнейших мировых научных центрах.

Целью данной работы является разработка и исследование автоматизированной системы экспериментальных исследований (АСЭИ) солнечной теплогенерирующей установки (СТУ), входящую в состав учебно-научной лаборатории АУЭС «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» в режиме удаленного доступа с применением Web технологии в среде графического программирования LabView

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить лабораторную установку «Солнечная теплогенерирующая установка»;

- разработать АСЭИ СТУ АУЭС в режиме УД, в рамках этой задачи:

- провести аналитический обзор теплогенерирующих установок и существующих ЛУД;

- изучить вопросы технологии удаленного доступа;

- разработать программное обеспечение АСЭИ СТУ в среде графического программирования LabVIEW;

- создать сайт АСЭИ для работы в режиме удаленного доступа;

- сформировать БД на сервере Microsoft SQL и организовать связь с программным обеспечением (ПО).

Глава 1. Современные тенденции развития теплогенерирующих установок

1.1 Теплогенерирующая установка

Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используют для получения электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) или теплоэлектростанциях (ТЭС), технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, а также для нагрева в паровых подогревателях воды, направляемой в системы теплоснабжения. Горячую воду используют для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и сооружений, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Для отопления и вентиляции также используют и нагретый воздух.

В теплогенерирующей установке создают термодинамические условия с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерного топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплогенерирующих установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с помощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим телом для переноса тепловой энергии - теплоносителем - служат жидкости или газы.

Системой теплоснабжения называют комплекс устройств, производящих тепловую энергию и доставляющих ее в виде водяного пара, горячей воды и нагретого воздуха потребителю.

Основные тенденции развития теплогенерирующих установок включают применение централизованного теплоснабжения и автоматизированных систем управления (АСУ), использование альтернативных источников энергии (водородной, солнечной, геотермальной, ветровой, приливов и отливов), местных и вторичных энергоресурсов, отходов промышленности, сельского и городского хозяйства, обеспечение минимальных выбросов вредных веществ в атмосферу [1].

1.2 Обзор теплогенерирующих установок

В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы применяют следующие теплогенерирующие установки и соответствующие методы производства тепловой энергии (см. таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Виды теплогенерирующих установок

Наименование	Источник энергии	Процесс получения энергии
1.Котельные агрегаты	Органическое топливо	В результате экзотермических химических реакций горения органического топлива в окислительной среде образуются газообразные продукты с высокой температурой (топочные газы) теплота от которых передается другому теплоносителю (воде или водяному пару).
2.Атомные реакторы	Ядерная энергия	Проходит цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов. В результате ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию теплоносителя (воды, в перспективе гелия), вводимого в активную зону атомного реактора, теплота от которого затем в атомном парогенераторе передается воде или пару.
3.Электродные котлы	Электрическая энергия	Преобразование электрической энергии в тепловую энергию путем разогрева нагревателя с высоким электрическим сопротивлением и последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу.
4. Гелиоустановки	Солнечная энергия	Солнечная (световая) энергия преобразуется в тепловую энергию инфракрасного излучения. В гелиоприемнике или солнечном коллекторе энергия Солнца трансформируется в тепловую энергию с последующей передачей теплоты рабочему телу - воде или воздуху.
5.Геотермальные установки	Геотермальные воды	Проходит передача теплоты от геотермальных вод к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров.
6.Котлы-утилизаторы	Теплота газов	Теплота от высокотемпературных газов передается другому теплоносителю (воде или пару), более удобному для дальнейшего использования.
7.Производство тепловой энергии из биомассы, сельскохозяйственных и городских отходов, а также устройства	Энергия с низким энергетическим потенциалом преобразуется в высокопотенциальную тепловую энергию другого теплоносителя с затратами других видов энергии, подводимых извне (электроэнергии в тепловых насосах).

Всем известно, что одним из эффективных путей экономии топливно-энергетических ресурсов является использование экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь, солнечной энергии, аккумулируемой в грунте, водоемах, воздухе. Основное преимущество возобновляемых источников энергии - неисчерпаемость и экологическая чистота.

Среди возобновляемых источников энергии солнечная наиболее перспективна:

- по масштабам ресурсов;

- по распространенности;

- по экологической чистоте.

По принципу работы солнечная теплогенерирующая установка (СТУ) практически ничем не отличается от водяной системы отопления: роль отопительного котла играет коллектор солнечной энергии, в котором теплоноситель нагревается от энергии Солнца, роль отопительного радиатора играет теплообменник, который отдает тепло воде, идущей к потребителю.

Гелиосистемы могут интегрироваться в качестве дополнительного источника энергии в систему отопления на любом традиционном энергоносителе (с газовыми, дизельными и твердотопливными котлами). Необходимое оборудование обходится недешево, но, заплатив за него один раз, в последующие годы Вы будете получать бесплатную энергию, тратя лишь небольшие деньги на техническое обслуживание [2].

Преимущества гелиоустановок убедительны.

- Во-первых, это автономность: солнечная энергия позволяет снизить затраты на горячее водоснабжение и в течение как минимум 8 месяцев не зависеть от возможных отключений электроэнергии и перепадов давления природного газа;

- Во-вторых, это безопасность: как в глобальном масштабе - с экологической точки зрения, так и в процессе эксплуатации - с технической.

В итоге - Вы используете до 85% энергии Солнца на нагрев горячей воды и 40% солнечной энергии на отопление.

1.2.1 Солнечная теплогенерирующая установка (СТУ)

Солнечная теплогенерирующая установка или же гелиосистема представляет собой устройство, способное преобразовывать солнечное излучение в иные, пригодные для эксплуатации, разновидности энергии (электрическую, тепловую). Наибольшее распространение оно получило в системах горячего водоснабжения и отопления загородных домов и коттеджей, а также в технологических процессах в различных отраслях промышленности. Гелиосистема предоставляет возможность полностью покрыть потребности теплого водоснабжения летом и разгрузить установки, отвечающие за обогрев дома зимой [3].

Преимущества использования гелиосистем

Устанавливая гелиосистемы, пользователи получают экологически чистый источник альтернативной (возобновляемой) энергии. Это современное оборудование способствует значительной экономии семейного бюджета - за солнечную энергию, которая никогда не иссякнет, не надо платить! Кроме того, активное внедрение гелиоустановок объясняется не просто желанием экономить, но и заботой о природе, поскольку применение солнечной энергии не сопровождается выбросами в окружающую среду опасных веществ, чего нельзя сказать о традиционных разновидностях топлива. Одна гелиосистема может на протяжении года без какого-либо вреда для человека производить до 1350 кВт часов энергии. Следует заметить, что подобная выработка в случае применения ископаемого топлива характеризовалась бы выбросом 450 килограммов углекислого газа.

Это оборудование поможет решить проблемы:

- нагрева воды в бассейнах;

- горячего автономного водоснабжения;

- применения в технологических целях горячей воды;

- полного или частичного отопления.

Конструкция и принцип работы гелиосистемы

Любая гелиосистема предусматривает наличие следующих составляющих:

1. Солнечная станция, включающая:

- расширительный бак;

- циркуляционный насос;

- регулирующий блок, оснащенный датчиком.

2. Солнечный коллектор;

3. Теплообменный бак, объемом от ста до пятисот литров.

Солнечный коллектор выступает в качестве основы гелиосистемы. Солнечные лучи проникают сквозь солярное безопасное стекло, отличающееся высокой пропускной способностью, и поступают на покрытие абсорбера (селективное). Тепло, благодаря незамерзающему теплоносителю, отдается теплоприемнику или баку-накопителю.

Основные разновидности гелиосистем

Современные гелиосистемы классифицируются на следующие типы:

- одноконтурные;

- двухконтурные.

В одноконтурных установках осуществляется циркуляция воды, которая в дальнейшем используется из бака аккумулятора. Что касается двухконтурных систем, то в них в качестве теплоносителя выступает нетоксичная незамерзающая жидкость, которая, после нагрева, отправляется в теплообменник бака, где отдает воде полученное тепло (тепловую энергию).

Гелиосистема могут монтироваться на площадке неподалеку от дома, на горизонтальной или наклонной крыше, а также устанавливаться непосредственно в неё.

Солнечные коллекторы

Солнечный коллектор (гелиоколлектор) - основной элемент любой установки, в котором солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию. Гелиоколлектор улавливает солнечную радиацию (прямую, отраженную и диффузную), поглощает и преобразует ее в тепловую энергию и передачи последней теплоносителю. Гелиоколлектор в общем случае включает в себя следующие элементы:

- светопрозрачное покрытие;

- энергопоглощающую поверхность - абсорбер;

- котел-плоские трубчатые каналы для теплоносителя;

- корпус с теплоизоляцией.

Все солнечные коллекторы условно делятся на плоские, или плоскопанельные коллекторы, и вакуумные коллекторы (на вакуумных трубках).

Плоскопанельные солнечные коллекторы представляют собой абсорбер, элемент, поглощающий солнечную радиацию и связанный с теплопроводной системой. С внешней стороны элемент закрыт слоем прозрачного материала, прозрачного покрытия. Чаще всего это покрытие выполняется из специального закаленного стекла, в котором максимально снижено содержание металлов. Обратная сторона, для уменьшения теплопотерь закрыта теплоизолятором. Если тепло не передается на внешние потребители, то такой плоский коллектор в состоянии нагревать промежуточный теплоноситель до ста сорока градусов.

В настоящее время разрабатываются и применяются специальные оптические оболочки. Поскольку из всех используемых материалов наиболее высокая теплопроводность у меди, то она стала основным сырьем для производства абсорбера.

Рисунок 1.1 - Плоский солнечный коллектор

У вакуумных коллекторов главная часть - это специальная вакуумная трубка, покрытая чернением для нагревания, в которой находится вода или антифриз. Вся конструкция сделана по принципу устройства термоса. Вокруг полости заполненной жидкостью для уменьшения непродуктивных потерь тепла создается своеобразная вакуумная камера. Используя такой элемент можно нагреть воду даже в том случае, если температура окружающей среды минусовая. С целью повышения эффективности приборов, внутренние вакуумные трубки делаются граненой формы или в форме буквы «U». Внешняя оболочка трубок изготавливается из боросиликатного стекла, имеющего повышенную прочность и длительное время не теряющего своих оптических свойств [5].

Рисунок 1.2 - Вакуумный солнечный коллектор

Вакуумная колба имеет одинарную стенку и больший диаметр (70 мм) и соответственно большую площадь поглощающей поверхности. Внутрь вакуумной колбы помещена плоская поглощающая пластина, соединяющаяся с теплопроводящим стержнем. Данная трубка устойчива к замораживанию и работоспособна без повреждений до -50°С. Внутри стержня находится небольшое количество антифриза при малом давлении, поэтому испарение жидкости начинается при достижении температуры внутри трубки +30°С. При меньшей температуре трубка "запирается" и дополнительно сохраняет тепло. Из-за большей площади поглощения время перехода в режим выделения тепла может быть всего 2 минуты.

Тепловой расчет СТУ

Экспериментальное определение характеристик коллекторов даёт понимание специфических особенностей в работе коллекторов. В работе предложена методика теплоэнергетического расчета коллектора [6]. Для выполнения расчета необходима исходная информация о проектируемом объекте теплоснабжения, данные о климатических условиях местности, о свойствах теплоносителя, значения коэффициентов, строительных норм и т.п.

Целью теплового расчёта плоского коллектора является определение тепловых потерь с его поверхности и суточный КПД.

Параметры необходимые для расчета солнечного коллектора:

n -- порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января.

Дневное время. Угол падения солнечных лучей на наклонную и горизонтальную поверхности в данном месте. Широтой местоположения точки ц, ц -- это угол между линией, соединяющей точку А с центром Земли 0, и ее проекцией на плоскость экватора. Часовой угол w, Часовой угол w -- это угол, измеренный в экваториальной плоскости между проекцией линии ОА и проекцией линии, соединяющей центры Земли и Солнца. Угол w =0 в солнечный полдень, а 1 ч соответствует 15°. Зенитный угол z, Зенитный угол Солнца z -- это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точке А. Угол высоты б. Угол высоты Солнца б -- это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма б + z равна 90°. Азимут a Солнца, Солнца a -- это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг (см. рисунок 1.4).

Для расчета располагаемого количества солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность, необходимо знать углы падения солнечных лучей на наклонную и горизонтальную поверхности в данном месте.

Угол падения солнечных лучей на произвольно ориентированную поверхность, имеющую азимут a_n и угол наклона к горизонту в, можно определить с помощью формулы

(1.1),

где ц - широта; д - склонение солнца; щ - часовой угол солнца.

д -- это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца д в течение года непрерывно изменяется -- от --23°27' в. день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27' в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Рисунок 1.3 - Схема кажущегося движения Солнца по небосводу

Рисунок 1.4 - Углы, определяющие положения точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей

Склонение Солнца в данный день определяется по формуле

 (1.2).

Связь между дополнительными и основными углами устанавливается следующими уравнениями:

зенитный угол (1.3),

угол высоты Солнца , поэтому (1.4),

азимут Солнца (1.5).

В солнечный полдень (щ=0) а = 0 при (ц>д) и а=р при (ц<д).

При пользовании приведенными формулами для северного полушария широта ц берется со знаком «+», а для южного -- со знаком «--», склонение Солнца б имеет знак «+» для лета (от весеннего до осеннего равноденствия) и знак «--» в остальное время года. Угол со изменяется от 0 в солнечный полдень до 180° в полночь, при щ <90° он имеет знак «+», а при щ >90° -- знак «--». Азимут Солнца а изменяется от 0 до 180°.

Интенсивность падающей солнечной радиации для любого пространственного положения солнечного коллектора и каждого часа светового дня g_j, Вт/м² следует определять по формуле

(1.6).

Приведенную интенсивность поглощенной солнечной радиации q, Вт/м², следует определять по формуле

q_Qj=0,96(P_S Q_S I_S + P_D Q_D I_D) (1.7),

где Q_S и Q_D -- соответственно приведенные оптические характеристики солнечного коллектора для прямой и рассеянной солнечной радиации. При отсутствии паспортных данных могут быть приняты Q_S = 0,74; Q_D = 0,64 -- для одностекольных и Q_S =0,63; Q_D =0,42 -- для двухстекольных солнечных коллекторов;

Is -- интенсивность прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м²;

I_D -- интенсивность рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м²;

P_S, P_D -- коэффициенты положения солнечного коллектора для прямой и рассеянной радиации соответственно.

Коэффициент положения солнечного коллектора для рассеянной радиации следует определять по формуле

P_D = cos² b/2 (1.8),

где b --угол наклона солнечного коллектора к горизонту.

P_s = cosi/sinh (1.9),

где i --угол падения солнечного луча на поверхность коллектора (данный параметр будем изменять);

h--угол высоты солнца над горизонтом.

Интенсивность прямого излучения I определяется, исходя из величины оптической массы, которая пропорциональна 1/sin h_s ; где - h_s угловая высота солнца. Энергетическая освещенность прямой солнечной радиацией любой данной поверхности равна I*cosi.

Эффективность солнечных коллекторов (солнечных водонагревателей - СВН) зависит как от их конструктивных параметров и метеорологических условий, так и от режима работы - температуры и расхода теплоносителя.

Удельная мощность СВН (плотность поглощаемого теплового потока) может быть определена по формуле

(1.10),

где g -- удельный расход теплоносителя кг/(м²с);

с_p =0.00418 - изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·°С);

Т_вх - температура теплоносителя на входе в СВН, °С;

Т_о - температура окружающей среды, °С;

U -- приведенный коэффициент теплопередачи СВН, Вт/(м²°С);

Величина B определяется зависимостью

(1.11).

Температура теплоносителя на выходе

(1.12),

где T_Р - равновесная температура СВН, т.е. та температура, которую СВН имеет при отсутствии расхода.

Знание этой температуры имеет важное практическое значение как при конструировании СВН, так и при проектировании солнечных установок, так как, с одной стороны, определяет требуемые пределы термостойкости тепловой изоляции, с другой - возможные термические деформации СВН.

Равновесная температура СВН

(1.13).

В тех случаях, когда СВН используют для получения воды с заданной температурой, удельный часовой расход может быть определен с использованием графика [7].

По заданной Т_вых и известным Т_вх и Т_р определяют

(1.14).

Удельный расход воды с T_вых=const

(1.15).

КПД солнечного коллектора может быть определен по формуле

(1.16).

Данный алгоритм теплового расчета солнечных коллекторов использовался при разработке виртуальной лабораторной работы СТУ, а также при разработке интерфейса физического стенда в среде графического программирования LabVIEW.

Среда графического программирования Lab VIEW фирмы National Instruments (п. 4.1.1) предназначена для создания прикладного программного обеспечения информационно-измерительных систем, а также различных компьютерных систем сбора и обработки экспериментальных данных. То есть, язык программирования LabVIEW является наиболее удобным и подходящим языком для создания прикладного программного обеспечения АСЭИ СТУ и организации удаленного доступа к данной установке, так как обладает всеми необходимыми свойствами и возможностями для создания ПО и организации УД.

Глава 2. Автоматизированные лабораторные практикумы в режиме удаленного доступа

Лаборатория удаленного доступа (ЛУД) - комплекс технических, программных и методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных и экспериментальных исследований непосредственно на физических объектах и (или) математических моделях с использованием удаленного компьютерного доступа.

Удаленный компьютерный доступ - режим функционирования ЛУД, при котором управление физическим объектом осуществляется с компьютера, удаленного на сколь угодно большое расстояние от места размещения самого объекта.

Таким образом, для создания ЛУД требуются, во-первых, применение специальных технических средств, как для автоматизации экспериментального стенда, так и для связи управляющего компьютера с удаленным пользователем, проводящим эксперимент в режиме сетевого управления, во-вторых, разработка прикладного программного обеспечения (ПО) или использование в отдельных случаях специализированных пакетов программ и, в-третьих, методическая поддержка лабораторных учебно-научных экспериментов.

Лабораторий удаленного доступа перед реальными лабораториями, первые обладают несомненными преимуществами экономического характера, как то:

1) экономия средств на создание реальных экспериментальных установок при наличии их хотя бы в единичном экземпляре в каком-либо реальном практикуме, и экономия средств на создание реальных установок за счет отсутствия необходимости создавать реальный интерфейс для работы с аппаратурой в лаборатории, полностью заменяя его сопряжением с компьютерным сервером;

2) появление возможности работы на дорогостоящем уникальном оборудовании, находящемся в любой стране, любом городе, любом научном центре;

3) удобство доступа к лаборатории в любое время для любого количества пользователей, в том числе одновременно (многопользовательский интерфейс);

4) возможность предложить услуги уникального экспериментального оборудования любому желающему на коммерческой или иной основе, там самым расширение КПД, отдачи от уже существующей аппаратуры;

5) применение современных достижений педагогики в компьютерной реализации удаленного доступа к традиционным экспериментам (одновременный коллективный доступ студентов к эксперименту).

2.1 Обзор лабораторий удаленного доступа

2.1.1 Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им. Н. Э. Баумана

Создание ЛУД, позволяющих использовать через сеть Интернет использовать уникальные научно-учебные экспериментальные стенды МГТУ им. Н.Э. Баумана, проводилось, начиная с 2000г. На сайте http://lud.bmstu.ru (см. рисунок 2.1) содержится информация по четырем практикумам по различным разделам курса физики (механика, электромагнетизм, квантовая физика), разработанных на кафедре "Физика" МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Начал опытную эксплуатацию автоматизированный стенд по механике деформируемого твердого тела с удаленным доступом, на котором возможна сложная нагрузка образцов не только продольными усилиями, но и крутящими моментами. Вместе с практикумом этот стенд образует Интернет-лабораторию ИЛИМ по испытанию материалов [7].

Кроме того, на данном сервере размещена информация об Интернет - лаборатории на основе уникального объекта - одного из крупнейших в Европе радиотелескопа МГТУ им. Н.Э. Баумана (см. рисунок 2.2) миллиметрового диапазона длин волн, к которому в соответствии с несколькими проектами по федеральным целевым программам организован удаленный доступ через сеть Интернет. Ввод в опытную эксплуатацию этого автоматизированного объекта состоялся в 2004 г. С 2005 г. преимущественно используется оборудование National Instruments.

Рисунок 2.1 - Главная страница сайта АЛП УД в МГТУ им. Н.Э. Баумана

Здесь проводятся практикумы по изучению аппаратуры и методов исследования радио и астрофизических объектов через сеть Интернет посредством специально организованной радиорелейной линии связи. Масса управляемой с помощью сетевых технологий антенны радиотелескопа более 20 тонн. Структура программного комплекса для поддержки удаленного управления радиотелескопом МГТУ им. Н.Э. Баумана ДИОРАМА изображена на рисунке 2.3.



Рисунок 2.2 - Радиотелескоп МГТУ им. Н.Э. Баумана

Рисунок 2.3 - Структура программного комплекса ДИОРАМА для поддержки удаленного доступа МГТУ им. Н.Э. Баумана

В 2005 г. по заданию Федерального агентства по образованию МГТУ им. Н.Э. Баумана и МЭИ (ТУ) создали специализированный сервер АЛП УД http://www.alpud.ru, на котором размещены описания и демо-версии более чем 50 автоматизированных практикумов, созданных различными университетами РФ. Там же размещены и методические материалы, призванные помочь разработчикам и пользователям в применении сетевых практикумов удаленного доступа в учебном процессе.

Проведенный анализ разработанных АЛП УД обусловливает ряд весьма высоких требований к профессорско-преподавательскому и вспомогательному персоналу высших учебных заведений, где разрабатываются и будут внедряться автоматизированные практикумы с удаленным доступом.

Эксплуатация АЛП УД в системе ИНДУС студентами как МГТУ им. Баумана, так и других университетов, продемонстрировала в течение пяти лет заметный интерес студентов к данной форме проведения лабораторного практикума, индивидуализацию условий проводимого эксперимента и повышение его эффективности. Кроме того, ряд обучающихся принял активное участие и в разработке новых лабораторных практикумов с удаленным доступом.

Опыт работы студентов, преподавателей и научных работников технического университета на автоматизированных комплексах в режиме удаленного компьютерного доступа уверенно демонстрирует практическую пользу данной технологии для обеспечения эффективности учебного процесса и научных исследований.

2.1.2 Портал «Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом через сеть internet к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования»

Портал "Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом через сеть Internet к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования" (см. рисунок 2.4) создан в рамках ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2010 годы». Портал является инструментарием для удаленного доступа студентов, исследователей, разработчиков к комплексу зондовых, атомносиловых и электронных микроскопов для диагностики и комплексных испытаний наночастиц, наноструктурированных и наномодифицированных материалов. На оборудовании нанолаборатории осуществляется дистанционное обучение сотрудников образовательных, научных и промышленных организаций, а также выполнение научных исследований в области нанотехнологий.

В базовый состав оборудования нанолаборатории входят сканирующие зондовые микроскопы расположенные в Региональном Центре Зондовой Микроскопии коллективного пользования (РЦЗМкп) при РГРТУ:

- Solver Pro, (ОАО «НТ-МДТ», Россия);

- Ntegra Aura, (ОАО «НТ-МДТ», Россия);

Рисунок 2.4 - Главная страница сайта нанолаборатории РГРТУ

- научно-учебный комплекс Nanoeducator (ОАО «НТ-МДТ», Россия).

И оборудование расположенное в Региональном Центр коллективного пользования «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, (г. Санкт-Петербург);

- просвечивающий электронный микроскоп JEM 2100-F (JEOL, Япония), оборудованный энергодисперсионным спектрометром фирмы «Oxford Instruments» и анализатором потерь энергии электронов фирмы «Gatan»;

- растровый электронный аналитический микроскоп JSM 7001F (JEOL, Япония);

- рентгеновский дифрактометр Discover D8 (фирма Bruker, Германия).

Данный комплекс аппаратуры включает основную номенклатуру современных приборов для анализа свойств и структуры наночастиц и наноматериалов [11].

Особенностью реализации проекта является создание универсального подхода к обеспечению удаленного доступа к комплексу аппаратно-программных средств минимально зависящего от типа оборудования нанотехнологической лаборатории.

Другой особенностью является распределенный характер учебно-исследовательской лаборатории комплексных исследований с удаленным доступом. Распределенность подразумевает то, что оборудование физически находится в разных организациях, но доступ к нему осуществляется через единый информационный ресурс. Такой подход обеспечивает охват максимально широкого спектра оборудования для исследования наноструктур, предоставляемого в режиме удаленного доступа и позволяет дальнейшее малозатратное расширение возможностей элемента научно-образовательной инфраструктуры путем подключения к информационному ресурсу оборудования других организаций [10].

Представленные особенности позволят в дальнейшем при минимальных затратах средств расширить состав оборудования и создать распределенную учебно-исследовательскую лабораторию комплексных исследований с удаленным доступом.

В результате выполнения работ по II этапу были получены следующие результаты:

1) разработаны структура и состав локальной базы данных экспериментов;

2) создана и протестирована база экспериментальных данных, размещенная на информационно-образовательном ресурсе РГРТУ (в электронном виде);

3) разработаны учебно-методические материалы с использованием возможностей созданного комплекса удаленного доступа к оборудованию, включающие в себя 14 лабораторных работ по изучению методов сканирующей зондовой микроскопии, растровой электронной микроскопии и рентгенодифракционного анализа вещества;

4) проведена опытная эксплуатация системы удаленного доступа с участием двух организаций входящих в ННС РФ;

5) выполнено анонсирование результатов работ для участников ННС.

Новизна созданной базы данных экспериментов заключается в тесной интеграции с информационно-образовательным порталом, с помощью которого осуществляется удаленный доступ и возможность осуществления гибкого поиск

а размещенных данных. Особенность реализации удаленного доступа к оборудованию заключается в широком спектре подключенного оборудования нанодиагностики, охватывающем основную номенклатуру современных приборов для анализа свойств и структуры наночастиц и наноматериалов, легкой масштабируемости удаленного доступа, информативности и эргономичность удаленного доступа, что создает «эффект присутствия» удаленного пользователя в лаборатории, в которой расположены исследовательское оборудование и распределенный характер учебно-исследовательской лаборатории комплексных исследований с удаленным доступом.

Система удаленного доступа успешно используется в Рязанском государственном радиотехническом университете при выполнении лабораторных работ по методам сканирующей зондовой микроскопии.

Удалённый доступ к уникальному оборудованию позволяет географически расширить круг его потенциальных пользователей, как для целей образования и науки, так и для привлечения субъектов бизнеса к результатам научно-исследовательской деятельности, способствовать координации исследований и разработок в сфере нанотехнологий, а также ускорению внедрения результатов выполняемых исследований в производство.

2.1.3 Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа Российского университета дружбы народов

Современная тенденция в сфере автоматизации и визуализации измерений заключается в использовании виртуальных измерительных технологий (виртуальных приборов - ВП) взамен традиционных, часто архаичных и малофункциональных приборов и систем. Структурной единицей АЛПУД, разрабатываемых в РУДН, является автоматизированный лабораторный стенд.

В состав автоматизированного лабораторного стенда входят исследуемый объект, устройства ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, подключенные к персональному компьютеру, программное обеспечение, задающее алгоритм работы ВП и его пользовательский интерфейс (лицевая панель ВП). При таком подходе технические характеристики измерительного оборудования определяются многофункциональными устройствами ввода/вывода, а функциональные и пользовательские особенности могут быть настроены программно в зависимости от конкретной задачи, поставленной в работе.

Таким образом, реализуется принцип открытой архитектуры, позволяющий расширять функциональные возможности создаваемых приложений не разрушая, а лишь надстраивая их. Кроме того, использование виртуальных измерительных технологий (ВИТ) позволяет повысить степень автоматизации и гибкость измерительной системы, а также организовать дистанционный доступ к измерительным ресурсам через современные телекоммуникационные сети.

При разработке и построении АЛП УД на основе ВИТ выбор устройств ввода/вывода осуществляется с учетом следующих факторов:

1) функциональное назначение устройства (тип подключаемых источников сигналов; измерение аналоговых сигналов; генерация аналоговых сигналов; ввод/вывод дискретных сигналов и т.д.);

2) технические характеристики (количество каналов; максимальная частота дискретизации и обновления; разрядность АЦП и ЦАП и т.д.);

3) функциональные возможности (возможность одновременного ввода/вывода данных, возможность синхронизации измерительных процессов по сигналам внешних устройств и т.д.);

4) совместимость с существующими средами программирования;

5) фирма производитель (стоимость; сроки поставок; гарантия; техническая поддержка и т.д.).

При создании систем дистанционного управления (СДУ), как правило, решаются следующие основные задачи:

- автоматизация и проведение измерений на локальном уровне;

- первичная математическая обработка измерительной информации средствами автоматизированного стенда;

- создание гибкого, эргономичного и интуитивно понятного интерфейса пользователя;

- организация передачи данных по телекоммуникационным сетям (запросов на измерения, ответов на эти запросы и результатов измерений в виде лабораторных отчетов).

В качестве средства для разработки ПО в РУДН была выбрана среда LabVIEW, являющаяся де-факто международным стандартом при создании систем автоматизации измерений. Предпочтение при выборе фирмы-производителя было отдано National Instruments в силу функциональных возможностей и надежности измерительного оборудования, а также вследствие его гармоничной интеграции с другими программными платформами.

2.1.4 Всемирная студенческая лаборатория WWSL - World Wide Student Laboratory

Рассмотренные схема проведения АЛП УД и типовая методика относятся к практикумам, разработанным в образовательных учреждениях Российской Федерации. Однако можно представить себе и значительно более глобальное обобщение автоматизированных лабораторных ресурсов при международной кооперации в этой области. Идея Всемирной студенческой лаборатории (WWSL - World Wide Student Laboratory) была впервые предложена А.А. Ародзеро. Она в большей мере ориентирована на открытое образование, хотя может использоваться для расширения учебно-научных экспериментальных ресурсов и при традиционных технологиях обучения. Главные цели WWSL сформулированы следующим образом: увеличить эффективность практической подготовки студентов на современной базе экспериментальных исследований, стимулировать интерес студентов к науке и обеспечить расширение лабораторных ресурсов преподавателям.

На начальном этапе World Wide Web (WWW - всемирная паутина) прежде всего, использовалась в образовательных целях тремя основными способами:

- для обеспечения студентов более широким доступом к информации;

- как инструмент связи при традиционных формах образования, с целью роста эффективности взаимодействия между преподавателями и студентами;

- как "виртуальная классная комната", "виртуальная лаборатория", как обобщенный интерфейс для обучения на расстоянии.

В основу проекта WWSL положены новые образовательные технологии, который дополняют традиционные методы и поднимают стандарт учебного экспериментального исследования на качественно новый уровень. Эти технологии существенно расширяют пределы лабораторной техники, доступной для практической подготовки студентов во всем мире. WWSL - это динамичное международное сотрудничество, основанное на совместном использовании через сеть Интернет экспериментальных ресурсов университетов, учреждений, исследовательских центров и компаний.

В соответствии с концепцией WWSL можно отметить следующие основные преимущества такого подхода:

- возможность исследования явлений, ненаблюдаемых в традиционных условиях лаборатории. В качестве примеров можно привести исследования, которые требует проведения одновременных опытов в различных географических точках мира, в различных окружающих средах, в течение длительных интервалов времени и т.д.;

- в результате обобщения экспериментальных данных, полученных на целом ряде стендов, возможно, изучить "тонкие" процессы и/или процессы, которые требуют очень большого объема данных;

- появляется возможность управлять экспериментальными проектами параллельно с математическим моделированием, что способствует более глобальному пониманию явлений;

- любой студент, имеющий доступ к Интернету, независимо от местоположения может участвовать в WWSL, что делает WWSL совершенным образовательным инструментом на любом расстоянии;

- студенты имеют круглосуточный доступ к экспериментальным установкам (24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году) и возможность работать на них в соответствии с собственным графиком;

- преподаватели имеют возможность использовать данные экспериментов, проводимых в режиме on-line, для чтения лекций;

- используя WWSL, студенты могут иметь доступ к данным "профессиональных" научных экспериментов, а преподаватели могут использовать эти данные для учебного процесса;



Рисунок 2.8 - Web-страница проекта WWSL с примером портала центра по изучению космических лучей

- отдельные студенческие проекты могут быть объединены в виде заключительного доклада по исследовательским работам - участие в создании такого доклада научит студентов этике совместных исследований, повысит мотивацию и значимость их работ;

- разработка и реализация новых WWSL-блоков программного обеспечения может хорошо быть хорошим стимулом для студентов при изучении информатики;

-элементы WWSL могут быть доступны не только студентам университетов, но также и обучающимся в колледжах и средних школах.

Для реализации проекта WWSL в США организована компания DiscoverLab Corporation, президентом которой является А.А. Ародзеро. Результатом первой ее разработки явилось "объединение" через сеть Интернет двух лабораторий по изучению космических лучей, одна из которых расположена в РФ (МГТУ им. Н.Э. Баумана), а другая - в США (Университет штата Орегон). На рисунке 2.8 приведена одна из страниц проекта WWSL (http://wwsl.net).

Разработана соответствующая инфраструктура WWSL (рисунок 2.9).



Рисунок 2.9 - Инфраструктура проекта WWSL

2.1.5 Labicom.net - on-line платформа удаленного доступа к экспериментальным комплексам для образования

Labicom.net on-line платформа для хостинга и обеспечения работы удалённых и виртуальных лабораторий [21].

Labicom.net представляет собой интернет-платформу, предоставляющую программный интерфейс (API) для подключения множества удалённых лабораторий. Labicom.net содержит также базу данных пользователей и преподавателей удалённых лабораторий, систему резервирования времени и организации очереди, предоставляет серверное пространство для хостинга on-line версии веб-сайта удалённой лаборатории, обеспечивает передачу данных по безопасному протоколу (HTTPS), и т.д.

Labicom.net спроектирован таким образом, что поддерживает локализации любых языков, делая данную платформу полезной для инженерного образования всего мира. На настоящий момент выполнена локализация платформы на русский и английский языки. На рисунке 2.10 представлена английский вариант стартовой страницы.

Одной из ключевых особенностей Labicom.net является кроссплатформенность. Это позволяет осуществлять доступ к удалённым лабораториям с любых устройств и операционных систем (Windows, MacOS, iOS, Linux, Android), поддерживающих современные браузеры. Предполагается, что конечным пользователям не нужно устанавливать дополнительные плагины (Adobe Flash, Java, Silverlight, Unity, LabVIEW Run-Time и т.п.) для выполнения работы в on-line лаборатории, что повышает удобство работы в портале и его надёжность.

Рисунок 2.10 - Английский вариант стартовой страницы www.labicom.net

Пользователям Labicom.net присваиваются роли: администратор лаборатории, преподаватель, помощник преподавателя, студент, турист (гость). Каждой роли отводятся характерные для неё функции. Например, администратор лаборатории определяет, в какое время его лаборатория будет доступна для удалённого управления (рисунок 2.11). Студент может выбрать удобное ему время из предложенных интервалов. Преподаватель может создавать и редактировать свои учебные группы и следить за результатами выполнения работ.

Labicom.net предоставляет удобную систему резервирования времени выполнения работ на экспериментальном оборудовании. Данная система не требует от администратора и конечного пользователя согласований часовых поясов и разницы во времени - каждый пользователь работает в своём местном времени, что экономит время всех участников удалённого эксперимента и позволяет избежать путаницы, связанной с вопросами перевода время одного часового пояса в другой. Организация работы портала требует от администратора лаборатории определить рабочее время данной лаборатории. Данное время может изменяться ото дня ко дню и может содержать несколько рабочих интервалов.