Теоретическое исследование комплекса для энергоснабжения пасек на базе гибридной гелиоустановки

Доминирующее число пасечных хозяйств являются небольшими, с точки зрения энергоснабжения, объектами, что обусловлено особенностями преобладающих организационно-правовых форм хозяйствования, а также спецификой энергопотребления. Кроме того, особенностью пасек является удаленность от сетей централизованного энергоснабжения.

Структура энергопотребления пасечных хозяйств во многом зависит от сезона и является специфичной для определенного типа хозяйства. Разведение и содержание пчел подразумевает выполнение пчеловодами определенных работ в рамках отдельных сезонных периодов ухода за пчелами [1]. В этой связи возникают различные потребности в тепловой и электрической энергии для различных периодов годового цикла работы пасек. Основными потребителями пасеки в весенне-осенний период являются электроинструмент столярных мастерских, технические средства для откачки меда, виброножи, и т. д., которые составляют оборудование пчеловодческих мастерских [2]. В зимний период потребление энергии связано с необходимостью обеспечения условий для благополучной зимовки пчелиных семей [3, 4, 5]. Среди многообразия этих условий важная роль принадлежит микроклимату пчелиного улья, оптимизация которого позволяет полнее реализовать потенциал пчелиной семьи, обусловленный ее наследственными свойствами [6, 7]. При этом следует отметить, что широко практикуется зимовка пчелиных семей в зимовниках.

Для энергоснабжения пасечных хозяйств предлагается использование комплекса на базе гибридной гелиоустановки, в состав которого входят несколько типов преобразователей возобновляемой энергии, а также аккумуляторы тепловой и электрической энергии. Внешний вид комплекса представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид комплекса на базе гибридной гелиоустановки гелиоустановка теплоноситель аккумулятор батарея Функциональная электрическая схема комплекса представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная электрическая схема комплекса Ветроэлектрическая установка и фотоэлектрические модули генерируют электрическую энергию и передают ее посредством проводов через блок управления аккумуляторным батареям. Солнечный коллектор собирает тепловую энергию Солнца и передает ее посредством трубопроводов через теплообменник тепловому аккумулятору. Далее тепловая энергия передается потребителю. Контролируется данный процесс с помощью системы управления подачей теплоносителя, функционирование которой обеспечивается за счет энергии, накопленной в аккумуляторных батареях.

В силу переменного характера изменения мощности потоков возобновляемой энергии для исследования процесса функционирования комплекса на базе гибридной гелиоустановки необходимо разработать математическую модель, учитывающую особенности использования отдельных изделий в составе комплекса.

Объектом исследования является комплекс для энергоснабжения пасек на базе гибридной гелиоустановки.

Предметом исследования являются количественные зависимости, связывающие конструктивные и эксплуатационные параметры комплекса.

Цель: разработка математической модели функционирования комплекса на базе гибридной гелиоустановки.

Задачи:

• — концептуальная постановка задачи моделирования;
• — математическая постановка задачи моделирования;
• — разработка алгоритма и исследование модели.

В силу специфики функционирования комплекса на базе гибридной гелиоустановки в зимний период, а также его сложной структуры, в рамках математической модели были выделены несколько уровней:

• — уровень процессов, связанных с изменением значений параметров микроклимата внутри пчелиных ульев в зависимости от внешних факторов;
• — уровень процессов функционирования отдельных компонентов комплекса (солнечного коллектора, ветроэлектрической установки, фотоэлектрических модулей, аккумуляторов тепловой и электрической энергии).

Ключевой моделью первого уровня является модель теплопотребления пчелиными ульями. Для определения тепловой мощности, необходимой для поддержания нормируемого температурного режима внутри зимовника пасечного хозяйства, использовалась расчетная формула:

(1).

где, , , — мощность управляемого источника тепла, Вт; - количество размещенных в зимовнике ульев; - теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг•К); - плотность сухого воздуха, кг/м³; - объем улья, м³; - температура внутри улья, К; - температура наружного воздуха, К; - воздухоподача вытяжных вентиляторов, м³/ч; - воздухоподача приточных вентиляторов, м³/ч; коэффициент тепловых потерь через ограждающие конструкции; - влагосодержание внутри улья, г/м³; - влагосодержание наружного воздуха, г/м³; - мощность неуправляемого источника тепла, Вт.

Ключевой моделью второго уровня является модель состояния теплового аккумулятора, описываемая выражением [8]:

(2).

где — полный коэффициент тепловых потерь солнечного коллектора, Вт/(м²•К); - площадь апертуры солнечного коллектора, м²; - удельная теплоемкость теплоносителя в аккумуляторе, кДж/(кг•К); - плотность теплоносителя в аккумуляторе, кг/м³; - объем бака, м³; - полный коэффициент тепловых потерь теплового аккумулятора, Вт/(м²•К); - площадь теплового аккумулятора, м²; - коэффициент, учитывающий влияние теплообменника; - коэффициент отвода теплоты от солнечного коллектора; - плотность потока солнечной радиации, ГДж/м²; - поглощательная способность солнечного коллектора; - количество теплоты, поступающей к потребителю из аккумулятора, ГДж/ч; - температура теплоносителя в аккумуляторе в начале шага моделирования, К; - температура наружного воздуха, К.

Моделирование процесса функционирования комплекса на базе гибридной гелиоустановки проводилось следующим образом. На первом этапе задавались значения входных факторов модели, значения которых с учетом принятых допущений оставались постоянными. К факторам данной группы относились количество ульев, размещенных в зимовнике, конструктивные параметры ульев, зимовника, а также отдельных элементов комплекса (фотоэлектрических модулей, ветроэлектрической установки, солнечного коллектора) и другие параметры. Внешний вид окна ввода постоянных параметров показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Внешний вид окна ввода значений входных параметров На следующем этапе задавались входные параметры, значения которых варьировались для каждого шага моделирования. К факторам данной группы относились средняя температура, скорость ветра, абсолютная влажность воздуха, плотность воздуха, количество диффузной (рассеянной) солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, и другие параметры. Затем следовала подстановка значений входных факторов в расчетную часть. Причем было принято допущение, что в рамках шага моделирования значения входных параметров оставались постоянными. Данное допущение было обусловлено наличием постоянного входного фактора — временного интервала шага моделирования. Это позволяло подобрать значение шага моделирования таким образом, что изменения других входных факторов за выбранный временной интервал оказывалось бы несущественным. Далее осуществлялась запись значений расчетных параметров для шага моделирования в таблицу. На следующем этапе проводилась подстановка значений входных факторов, соответствующих следующему шагу моделирования, и значений расчётных параметров в расчетную часть. Данный процесс повторялся вплоть до последнего шага моделирования. В результате была получена таблица значений расчетных параметров для каждого шага моделирования, позволяющая описать динамику изменения эксплуатационных параметров комплекса в зависимости от входных параметров.

На рисунке 4 представлены результаты моделирования функционирования комплекса на базе гибридной гелиоустановки для следующих условий:

• — расположение пасеки в Республике Марий Эл;
• — зимовник на 250 пчелиных семей (типовой проект № 808−5-4);
• — площадь фотоэлектрического модуля 1,3 м², количество модулей 10;
• — ометаемая площадь ветроэлектрической установки 18 м²;
• — емкость аккумуляторной батареи 50 А•ч;
• — объем бака теплового аккумулятора 3 м³;
• — временной интервал моделирования с 14 октября по 14 апреля.

Рисунок 4. Результаты моделирования функционирования комплекса На рисунке 3 представлены: а) график изменения температуры теплоносителя теплового аккумулятора; б) график изменения напряжения на выводах аккумуляторной батареи; в) графики изменения мощности ветроэлектрической установки и фотоэлектрических модулей; г) график изменения потребления электрической энергии.

Анализируя вышеприведенные графики изменения значений параметров комплекса на базе гибридной гелиоустановки можно сделать следующие выводы:

• 1. Наименьшие значения температуры теплоносителя теплового аккумулятора приходятся на период с ноября по январь. Это обусловлено минимальными значениями длительности светового дня в данные месяцы, а также относительно низкими, по сравнению с другими месяцами, значениями инсоляции. Минимальное значение температуры теплоносителя отмечается в декабре, что обусловлено минимальным значением инсоляции.
• 2. Напряжение на выводах аккумуляторной батареи в течение временного интервала моделирования не снижается ниже 12,38 В, что соответствует 30% степени разряженности аккумуляторной батареи.
• 3. Минимальное значение суммарной мощности фотоэлектрических модулей (151 Вт) приходится на декабрь, что обусловлено минимальным значением инсоляции. Плавное возрастание мощности в период с декабря по апрель обусловлено увеличением инсоляции.
• 4. Мощность ветроэлектрической установки на протяжении периода моделирования колебалась в диапазоне от 518 до 593 Вт. Максимум мощности приходится на вторую половину февраля и первую половину марта, что обусловлено максимальными, по сравнению с другими месяцами, значениями скорости ветра в данный период.
• 5. Минимальное значение потребления электрической энергии (9250 Вт•ч в сутки) приходится на декабрь. Это обусловлено минимальным значением длительности светового дня, а значит, минимальным временем работы наиболее мощного электроприемника в составе комплекса — циркуляционного насоса, установленного в контуре «солнечный коллектор — тепловой аккумулятор».

Разработанная математическая модель функционирования комплекса на базе гибридной гелиоустановки позволяет определить количественные закономерности и зависимости, связывающие конструктивные и эксплуатационные параметры комплекса при условии поддержания благоприятных условий для зимнего содержания пчел.

• 1. Осташенков, А. П. Теплоснабжение зимовников пасечных хозяйств на базе каталитических устройств сжигания биогенных топлив / А. П. Осташенков, Е. М. Онучин // - Научный журнал КубГАУ. — Краснодар: КубГАУ, 2013. — № 05 (089). — С. 1233−1249.
• 2. Харченко, Н. А. Пчеловодство: Учеб. для студ. вузов / Н. А. Харченко, В. Е. Рындин. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — С. 79.
• 3. Еськов, Е. К. Микроклимат пчелиного жилища. — М.: Россельхозиздат, 1983. — 184 с.
• 4. Еськов, Е. К. Микроклимат пчелиного улья и его регулирование. — М.: Россельхохиздат, 1978. — С. 72.
• 5. Лаврехин, Ф. А. Биология медоносной пчелы / Ф. А. Лаврехин, С. В. Панкова. — М.: Колос, 1983. — С. 270.
• 6. Радченко, В. Г. Биология пчел (HYMENOPTERA, APOIDEA) / В. Г. Радченко, Ю. А. Песенко. — Спб., 2004. — С. 201.
• 7. Фриш, К. Из жизни пчел. — М.: Мир, 1980. — 108 с.
• 8. Мегедь, А. Г. Пчеловодство: учебник / А. Г. Мегедь, В. П. Полищук. — Киев, 1990. — С. 45.