Сельское хозяйство. Механизация сельского хозяйства

Аспирантка Елоева Р.К., к.т.н. доцент Есенов И.Х.

Горский государственный аграрный университет, Россия

Обоснование параметров автономного источника

питания электрифицированного ручного инструмента сельскохозяйственного назначения

Ручные машины наиболее широко используются в таких отраслях сельскохозяйственного производства, как садоводство, виноградарство (уход за кронами, в ряде случаев – сбор плодов) и животноводство (стрижка овец и верблюдов, вычесывание пуха коз, уход за копытами при стойловом содержании и т. д.). В силу особенностей механизируемых операций и процессов, машины должны быть сравнительно легкими, обеспечивать длительный (в течение смены или светового дня) режим работы.

Наиболее полно указанным требованиям отвечает электропривод [1] и в частности повышенной частоты тока (200 или 400 Гц) [2]. Ручные машины с электроприводом наиболее экономичны (эксплуатационные расходы в них в 5-7 раз ниже, чем с пневмоприводом) [1], имеют большие значения к.п.д. (40…70% против 10…16%).

При применении электроприводов повышенной частоты тока удается минимизировать массогабаритные показатели ручных машин, однако появляется необходимость в преобразователях частоты, в ряде случаев - не только частоты, но и уровня напряжения. Источниками питания электропривода ручных машин в режиме автономного электроснабжения могут служить (в основном) электрохимические накопители (аккумуляторы) или фотоэлектрические преобразователи, работающие самостоятельно и/или параллельно с аккумуляторами (с целью обеспечения бесперебойности электроснабжения).

Известно, что повышение напряжения при одинаковой мощности питаемого электродвигателя ведет к уменьшению величины тока, а, следовательно, к снижению массы проводов (кабеля), соединяющего его с источником питания. В то же время, напряжение более 42 В является опасным (в условиях сельскохозяйственных объектов). Это предопределяет необходимость в усиленной (двойной) изоляции и ведет к росту массогабаритных показателей инструмента.

С учетом изложенного для сельскохозяйственного ручного электроинструмента за верхний предел принято напряжение 42 В (номинальное – 36 В), с частотой 200 или 400 Гц. Напряжением 36 В, 200 Гц обеспечивается питание серийно выпускаемых стригальных машинок МСУ-200.

Параметры автономной системы электроснабжения определяют площадь фотоэлектрического преобразователя и емкость аккумуляторной батареи [3, 4]. Так как кислотные электрохимические аккумуляторы на порядок дешевле фотоэлектрических преобразователей, то оптимизация системы автономного электроснабжения с использованием энергии солнечного излучения должна выполняться по принципу минимизации мощности фотоэлектрических преобразователей и обеспечения части энергии от аккумуляторных батарей.

Суточное электропотребление сезонно работающего фермерского хозяйства (в летний период) представлено на рис. 1 [3].

Рис. 1. График нагрузки фермеской усадьбы

Интенсивность солнечного излучения имеет сезонный характер, а также изменяется в течение суток. Параметры солнечного излучения, попадающего на земную поверхность, регистрируются метеорологическими станциями. Текущая интенсивность солнечного излучения и продолжительность его действия зависят от широты местности, климатической зоны, времени года и суток, что так же важно учитывать при системном анализе автономного электроснабжения. В ясную погоду на 1 м² земной поверхности попадает приблизительно 1000 Вт солнечной энергии.

Наименьшее число часов солнечного сияния в целом за год наблюдается на равнинной территории РСО-Алании (Моздок – 1867 часов). В предгорьях, с уменьшением облачности, продолжительность солнечного сияния возрастает (Владикавказ – 1932 часа). Однако соотношение продолжительности солнечного сияния за теплый (IV-IX) и холодный (X-III) периоды между равнинной и предгорной территориями различно: зимой солнечное сияние больше в предгорьях, летом – на равнине (табл. 1) [5].

Таблица .1.

Продолжительность солнечного сияния (1),

Часы и число дней без солнца (2), дни

Станция	Высота н. у.м.,м	Месяцы												Год
		I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Моздок	135 1	47	61	115	170	230	270	286	266	189	140	56	37	1867
	2	18	15	9	5	2	1	2	1	4	6	15	20	98
Влади- кавказ	668 1	99	111	147	162	196	223	228	218	172	163	105	108	1932
	2	12	8	8	6	4	2	3	3	5	7	11	10	79
Казбеги высоко- горная	3653 1	147	152	179	191	205	225	239	230	194	174	157	139	2232
	2	4	5	4	3	3	1	1	1	1	3	3	4

Для расчета фотоэлектрических систем воспользуемся традиционной методикой [6]. Суммарная (расчетная) мощность всех потребителей, подключаемых одновременно, определяется перечнем нагрузок с учетом продолжительности работы (мощности нагрузок обычно указываются в паспортах изделий).

Количество потребляемой энергии W (кВт∙ч) в течение суток определяется по выражению:

(1)

где Р_расч– расчетная мощность нагрузки, кВт.

Т – время работы нагрузки в течение суток, час.

В случае индивидуального источника для стригальной машинки, потребляемая мощность, которого составляет порядка 180 Вт, с учетом возможных перегрузок – Р_расч = 200 Вт при времени работы – 8 час, среднесуточное электропотребление составит:

Вт∙ч

Емкость аккумуляторной батареи выбирается из стандартного ряда емкостей с округлением в сторону, большую от расчетной. Расчетная емкость аккумуляторной батареи (А∙ч) определяется по формуле:

(2)

А∙ч

где W– количество потребленной энергии (Вт∙ч);

U_АБ – напряжение аккумуляторной батареи;

δ – допустимая глубина разряда аккумуляторной батареи (для свинцово-кислотных аккумуляторов δ ≥ 0,5).

Емкость аккумуляторной батареи зависит, от температуры окружающей среды. Уменьшение емкости АБ при понижении температуры учитывается температурным коэффициентом Кс, значения которого в общем случае принимается из графика (рис. 2). В рассматриваемом случае следует учитывать, что стрижка овец проводится при температурах окружающей среды более 16⁰С, кроме того – в нашем регионе температура редко поднимается выше 30⁰ С, поэтому можно принимать К_ст= 1. Общая требуемая емкость аккумуляторной батареи:

С_АБ = С_расч∙К_с=267∙1=267А∙ч (3)

Отсюда следует, что необходимая мощность аккумуляторной батареи с учетом 10…20 % запаса составит С_АБ=300А∙ч

Рис. 2. Зависимость К_с = f (T)

В системах резервного электроснабжения обычно используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы с технологией AGM. Они имеют большой срок службы в буферном режиме и могут легко отдавать большие токи в течение короткого промежутка времени.

На широте г. Владикавказ средняя продолжительность солнечного сияния в период стрижки (весенняя стрижка – 2 половина мая; осенняя – сентябрь) составляет около 10 часов.

Ранее вычисленный расход энергии – W= 1600 Вт∙ч должен быть получен от фотоэлектрического преобразователя за это время. Тогда мощность панелей должна составлять не менее:

P_пан = 1600/10=160 Вт (4)

При номинальном режиме аккумуляторной батареи U_ном = 12 В, зарядный ток должен быть на уровне:

I_пан = 160/12 = 13, 3 А (5)

Расчетный ток при напряжении 12 В может быть обеспечен фотоэлектрической панелью ТСМ–180(12).

Монокристаллический солнечный фотоэлектрический модуль (панель) ТСМ–180(12) имеет максимальную мощность 180 Вт ± 5%, номинальное напряжение 12 В. Экологически чистый, надежный и долговечный, применяется в системах автономного и резервного электроснабжения частных домов. В летний ясный день способен выработать до 1080 Вт∙ч электроэнергии.

Солнечные элементы ламинированы под закаленным текстурированным стеклом, увеличивающим количество пропускаемого света. Это позволило повысить выработку электроэнергии до 15 % при различных уровнях освещенности и любых погодных условиях. На тыльной стороне расположена пластиковая влагозащищенная клеммная коробка с положительным и отрицательным выводами. Станина модуля (рамка) изготовлена из анодированного алюминия, и снабжена посадочными отверстиями. Обратная сторона модуля защищена пленкой ПЭТ. Данный модуль имеет жесткую конструкцию.

Герметичная конструкция и использование монокристаллических кремниевых солнечных элементов обеспечивают длительный срок службы модуля (не менее 20 лет) с сохранением не менее 90% первоначальной мощности (декларированная гарантия производителя). КПД единицы площади модуля ТСМ-180(12) составляет около 14%.

Литература:

1. Гехтман Э. Малая механизация ручных работ. Краткий справочник // Рига «Авотс», 1983 г.

2. Краморов Ю.И. Высокоскоростные машины в сельском хозяйстве (теория, расчет и конструкции), Краснодарское книжное издательство, 1966 г.

3. Оськин С.В., Воронин С.М. Параметры автономной системы электроснабжения на основе гелиоустановок // Механизация и электрификация с.х. 2007, № 8, стр. 35-36.

4. Воронин С.М. Таран А.А. Параметры автономной системы электроснабжения на основе солнечной электростанции // Механизация и электрификация с.х. 2007, № 3, стр. 24-24.

5. Природные ресурсы РСО–Алания: Климат // Отв. Ред. Л. Б. Валиева – 2002, 224 с.

6. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие/Л.М. Четошникова.–Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2010.–69 с.