Методы и средства повышения качества функционирования ветроэнергетических установок в растениеводстве
| Вид материала | Автореферат |
- Методы повышения качества налогового контроля, 128.99kb.
- І. П. Основи дефектоскопії-К.: «Азимут-Україна», 2004. 496 с. Ермолов И. Н., Останин, 1049.75kb.
- Повышение качества функционирования комбинированного нечеткого регулятора системы управления, 98.69kb.
- Развитие ветроэнергетики в мире, 71.65kb.
- Учебно-тематический план курсов повышения квалификации «Педагогические технологии как, 50.51kb.
- Список литературы, представленной на выставке «Методы и средства контроля качества, 75.52kb.
- «Использование информационных компьютерных технологий как средства повышения качества, 33.83kb.
- Понятие среды обитания и виды ее загрязнения, 246.96kb.
- Администрация города Дубны Московской области Управление народного образования, 899.7kb.
- Программа по дисциплине "Методы и средства снижения потерь электроэнергии в электрических, 27.16kb.
На правах рукописи
КУТЕПОВ Владимир Николаевич
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии
и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Челябинск – 2008
Работа выполнена на кафедре электрических машин и эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный университет».
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Буторин Владимир Андреевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Саплин Леонид Алексеевич кандидат технических наук, доцент Волков Леонид Тихонович |
| Ведущее предприятие: | Северо-Западный НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства г. Санкт-Петербург – Павловск |
Защита состоится «19» декабря 2008 г., в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный университет» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный университет».
Автореферат разослан «17» ноября 2008 г. и размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО «ЧГАУ» http://www.csau.ru.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Басарыгина Е.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. На сегодняшний день в России насчитывается 187,3 тыс. фермерских хозяйств, 19 млн жителей имеют приусадебные и садово-огородные участки. Российские фермеры, согласно проведенным исследованиям, только на 65% обеспечены электроэнергией и на 50% водоснабжением. При опережающем росте тарифов и цен на электроэнергию по сравнению с ценами на сельхозпродукцию, доля затрат в себестоимости этой продукции возросла с 3…8 до 10…30%, а по некоторым видам – до 30…50% и более (теплицы, птицефабрики). Это отрицательно сказывается на производстве. Значительная часть предприятий становится убыточной, а некоторые перестают функционировать. Истощение запасов энергоресурсов и повышение цен на традиционные энергоносители способствуют повышению значимости возобновляемых источников энергии. По экспертной оценке, в сельском хозяйстве более 80% энергообеспечения может быть покрыто за счет возобновляемых ресурсов.
Повышение качества функционирования ветроэнергетических установок (ВЭУ) для электроснабжения с.-х. объектов по производству и переработке продукции влечет за собой повышение ее объема выпуска и качества. Одним из путей повышения качества функционирования ВЭУ является обеспечение требуемых показателей их надежности путем совершенствования системы технического обслуживания и ремонта, основанного на оптимизации времени восстановительных работ. С другой стороны, повышение качества функционирования ВЭУ возможно за счет совершенствования структуры и технических средств этих установок, которое связано с определенными экономическими затратами. Таким образом, возникает проблема достижения разумного компромисса между показателями надежности и экономическими критериями функционирования ВЭУ. В связи с этим данное направление требует своего совершенствования и развития.
Работа выполнена в соответствии с межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 гг. (Проблема IX - научное обеспечение повышения машинно-технологического и энергетического потенциала сельского хозяйства России), одобренной Межведомственным координационным советом по формированию и реализации программы 19.10.06 г. и Президиумом РАСХН 16.11.06 г.
Цель работы: повышение качества функционирования ветроэнергетических установок в растениеводстве путем обоснования их структуры, разработки технических средств и оптимизации времени восстановительных работ.
Задачи исследования
1. Обосновать взаимосвязь между показателями экономичности и надежности функционирования ВЭУ для обеспечения электроснабжения насосного оборудования.
2. Разработать модели надежности ВЭУ для основных графов ее состояний.
3. Разработать методику оптимизации времени восстановительных работ ВЭУ в растениеводстве.
4. Разработать структуру ВЭУ и инвертор, обеспечивающие повышение экономической эффективности функционирования ВЭУ.
5. Установить статистические характеристики скорости ветра и колебания грунтовых вод в районах Челябинской области.
Объектом исследования является метод оптимизации времени восстановления работоспособности ВЭУ и процесс ее испытания с разработанным инвертором.
Предметом исследования являются закономерности, связывающие экономические критерии качества функционирования ВЭУ, коэффициент готовности и время восстановления, а также величину инвестиций в разрабатываемый инвертор.
Научная новизна основных положений, выносимых
на защиту:
1. На основе предложенной модели, связывающей показатели надежности и экономичности функционирования ВЭУ, определено оптимальное время восстановления работоспособного состояния ВЭУ.
2. Разработана модель надежности ВЭУ для стационарного участка ее работы, позволяющая получить численное значение коэффициента готовности.
3. Предложены технические решения структуры ВЭУ и принципиальной электрической схемы инвертора, обеспечивающие экономическую эффективность функционирования ВЭУ.
4. Доказана целесообразность использования бета-трапециаль-ного закона, позволяющего более точно описать распределение скорости ветра районов Челябинской области по сравнению с вейбулловским.
Практическая ценность работы и реализация
ее результатов
Разработанные модели надежности позволяют получить значения коэффициента готовности для двух основных графов состояний ВЭУ и произвести комплексную оценку этой надежности.
Предложена функциональная зависимость между показателями экономичности и надежности, которая легла в основу разработанного метода оптимизации времени восстановительных работ ВЭУ.
Разработанный инвертор при одинаковых параметрах надежности в сравнении с существующими имеет значительно меньшую стоимость. Экономический эффект от внедрения инвертора составляет 7,5 тыс. руб. в год.
Доказана целесообразность использования бета – трапециального распределения скорости ветра, учитывающего вероятность существования штиля, при выборе мощности генератора ВЭУ, и получены численные значения параметров этого распределения для районов Челябинской области.
Получены статистические характеристики колебания грунтовых вод зоны интенсивного водообмена для районов Челябинской области, служащие для выбора мощности электронасосного оборудования, электроснабжение которого производится от ВЭУ.
Для практических расчетов оптимального времени восстановления работоспособности ВЭУ предложены алгоритм и программа расчета на ЭВМ.
Методика оптимизации времени восстановительных работ, внедренная в ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого г. Кирова, обеспечивает рациональное соотношение между экономичностью и надежностью функционирования ветроэнергетических установок, используемых на садово-огородных, фермерских и других производственных предприятий отрасли растениеводства.
По результатам исследований в 2003 г. получен диплом победителя конкурса исследовательских проектов молодых учёных вузов Челябинской области на тему «Ветроэнергетическая установка».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований обсуждались на XLI – XLVI международных научно-технических конференциях Челябинского государственного агроинженерного университета 2002 – 2008 гг.; на 5-й международной научно-технической конференции Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства «Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология» (г. Москва, 2006 г.); на ХХIII школе-семинаре Марийского государственного университета «Методы и средства технической диагностики» (г. Йошкар-Ола, 2006 г.); на 12-й международной конференции института сельскохозяйственной инженерии Литовского сельскохозяйственного университета «Технический и технологический прогресс в сельском хозяйстве» (г. Каунас, 2007 г.).
Публикации по результатам работы. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе два патента на изобретение и один патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 195 стр. машинописного текста, включает 24 рисунка, 22 таблицы, список литературы из 170 наименований и 11 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы, обоснованы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, дана их характеристика.
В первой главе «Состояние вопроса и цель исследования» приведен анализ литературных источников отечественных и зарубежных авторов, работающих в области возобновляемой энергетики. Ведущими организациями в России в области исследования возобновляемых источников энергии являются ВИЭСХ, ВНИПТИМЭСХ, НПО «Ветроэн», НПО «Радуга», ЗАО «Виндэк», ЧГАУ, МЭИ и другие. Вопросы возобновляемой энергетики освещены в научных работах Шефтера Я.И., Стребкова Д.С., Саплина Л.А., Харитонова В.П., Абрамова Н.Д., Муругова В.П., Каргиева В.М. и многих других.
Проанализированы показатели качества функционирования ВЭУ в условиях эксплуатации, к которым относятся показатели назначения, надежности, технологичности, транспортабельности, стандартизации и унификации, безопасности, эргономичности, эстетичности, патентно-правовые, экологические и экономические. При этом служба эксплуатации с.-х. предприятий может оказывать влияние лишь на показатели надежности и экономичности.
Важнейшим показателем, оценивающим эффективность системы ТО и Р ветроэнергетических установок, является коэффициент готовности Кг.
Время восстановительных работ при текущем (ТР) и капитальном (КР) ремонте считается временем восстановления ВЭУ. Существующие способы расчета времени восстановления по системе ППРЭсх носят плановый характер и слабо учитывают конкретные условия эксплуатации. Повысить коэффициент готовности без изменения показателей безотказности можно путем изменения времени восстановления работоспособного состояния ВЭУ Тв. К повышению качества функционирования ВЭУ также ведет совершенствование их структуры и технических средств, которое связано с определенными экономическими затратами.
Эффективность работы ВЭУ в растениеводстве зависит от распределения скорости ветра и уровня подземных вод района их использования. На основании изложенного сформулирована цель работы и определены научные задачи.
Вторая глава «Теоретические предпосылки повышения качества функционирования ветроэнергетических установок в растениеводстве» посвящена определению экономического критерия качества функционирования ВЭУ и разработке модели ее надежности.
Одним из путей обеспечения требуемого качества с.-х. продукции является повышение качества функционирования электрооборудования производственного процесса. Это связано с привлечением инвестиций и обоснованием их экономической эффективности. Оптимальным критерием оценки экономической эффективности, обладающим преимуществом перед другими является NPV – чистый приведенный доход. Основой его расчета является показатель годового эффекта
. Годовой эффект от внедрения мероприятий по повышению качества функционирования ВЭУ определяется следующим образом:
, (1)где
– абсолютное годовое изменение капиталовложений в ВЭУ; 
– абсолютное изменение годовых издержек по эксплуатации ВЭУ; 
– абсолютное снижение годового экономического ущерба от снижения числа отказов ВЭУ.Функциональная связь годового эффекта с показателями надежности определяется по выражению
, (2)где
– часовая ставка электромонтера; 
– средние наработки на отказ ВЭУ; 
, 
– коэффициенты готовности нового и базового вариантов соответственно; 
– стоимость ВЭУ с учетом монтажа; 
– приведенный норматив отчислений на каждый элемент; 
,
– время восстановления работоспособности соответственно нового и базового вариантов ВЭУ; 
– время работы ВЭУ в год; 
– параметр, который определяется удельным технологическим ущербом, зависящим от вида культуры и занимаемой ее площади.Из полученного выражения видно, что годовой экономический эффект зависит от затрат связанных с отказами, технологического ущерба и капитальных затрат.
Для оценки кг необходимо разработать модель надежности ВЭУ с использованием теории марковских процессов. ВЭУ состоит из нескольких элементов, которые имеют свои интенсивности отказов и восстановлений. При рассмотрении логической схемы ВЭУ следует принять последовательное соединение элементов, поскольку отказ одного элемента приводит к отказу всей системы.
Представленная на рисунке 1 модель ВЭУ в общем случае может находиться в одном из четырех состояний: 1– безотказная работа ветроагрегата; 2 – безотказная работа аккумуляторной батареи АБ и инвертора;
– состояние отказа аккумуляторной батареи (АБ); 
– состояние отказа инвертора. Возможные состояния элементов ВЭУ имеют вид графа, в узлах которого изображены возможные состояния системы, а стрелками показаны направления переходов из одного состояния в другое. Над стрелками указаны интенсивности переходов: , – интенсивности отказов и восстановлений элементов ВЭУ. 
Рисунок 1 – Граф состояний элементов ВЭУ (общий случай)
Поскольку описываемые состояния элементов ВЭУ отвечают свойствам марковских процессов, то для вероятностей
, 
, 
, 
нахождения системы в одном из состояний справедлива следующая система дифференциальных уравнений:
. (3)Воспользовавшись преобразованиями Лапласа и учитывая начальные условия, получим систему уравнений для вероятностей состояний, которая будет соответствовать системе уравнений для их изображений:
, (4)Выразив из уравнений
, 
, 
и подставив их во второе, получим:
. (5)Соответственно другие выражения будут иметь вид
; (6)
; (7)
. (8)Определение оригиналов требуемых функций позволит определить коэффициент готовности на любом участке режима эксплуатации. Трудоемкость расчета коэффициента готовности для стационарного участка работы ВЭУ значительно снижается при использовании методики А.М. Половко.
Теорема Маркова утверждает, что любой однородный транзитивный марковский процесс с конечным числом состояний обладает эргодическим свойством, то есть система выходит на стационарный режим, при котором
, 
, 
, 
считаются финальными. Пределы данных величин существуют и не зависят от начальных условий. Эти величины являются стационарными вероятностями, и их нетрудно определить с помощью названной методики.В режиме эксплуатации ВЭУ сумма вероятностей работы
и 
равна коэффициенту готовности:
. (9)Р
ассмотренный граф состояний элементов ВЭУ представляет собой наиболее распространенную модель ее функционирования. Однако на практике переход в неработоспособные состояния
и 
возможен непосредственно из работоспособного состояния 
, т.е. минуя состояние 
. Такая система может находиться в тех же состояниях, но с добавленными связями: – безотказная работа ветроагрегата; – безотказная работа аккумуляторной батареи АБ и инвертора; 
– отказ аккумуляторной батареи (АБ); 4 – отказ инвертора. Граф состояний системы представлен на рисунке 2.Рисунок 2 – Граф состояний элементов ВЭУ
Коэффициент готовности
для такой системы в стационарном режиме имеет вид
(10)где
.Для оценки мероприятий по повышению качества функционирования ВЭУ принимается чистый приведенный доход, в основе расчета которого лежит годовой экономический эффект. С учетом выражения (2) предложена целевая функция оптимизации:
. (11)Как следует из выражения (11), получение максимального годового экономического эффекта возможно посредством оптимизации коэффициента готовности ВЭУ путем корректировки времени их восстановления.
Увеличение экономического эффекта возможно также за счет разработки технических средств ВЭУ, ведущих к снижению капитальных вложений при сохранении прежней надежности.
Для расчета оптимального коэффициента готовности разработана программа на ЭВМ, блок-схема которой представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Блок-схема программы по расчету оптимального коэффициента готовности ВЭУ
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» излагаются методика оптимизации времени восстановления работоспособного состояния ВЭУ, методика оценки интенсивности отказов и восстановлений ВЭУ для оценки базового значения коэффициента готовности кгб и параметров, входящих в выражение (11), а также методика определения годового экономического эффекта от оптимизации времени восстановительных работ.
Предложенные в работе технические решения, направленные на повышение качества функционирования ВЭУ, заключаются в разработке структуры ВЭУ и принципиальной электрической схемы инвертора. Описана методика оценки энергетических характеристик ВЭУ при работе с электронасосной установкой. За исследуемый параметр принимался КПД электронасосной системы при изменяющихся значениях подачи и напора.
Для обоснования мощности ВЭУ и инвертора необходимо знать мощность питаемой нагрузки. В связи с этим разработана методика оценки мощности и производительности электронасоса в зависимости от технологического оборудования, определяемого площадью занятой под конкретной культурой. С этой целью произведен анализ среднесуточного расхода воды для конкретного по площади земельного участка с типичным набором культур. При определении расчетных расходов воды в системах сельскохозяйственного водоснабжения принимался во внимание диктующий в водопотреблении период сезона.
Одним из этапов апробации новых технических решений является проведение испытаний ВЭУ в натурных условиях. Поэтому для исследования совместной работы инвертора и насоса в составе ВЭУ нами была разработана функциональная схема ВЭУ (рисунок 4) и на ее основе экспериментальный образец ВЭУ (рисунок 5).
Рисунок 4 – Функциональная схема ВЭУ
Рисунок 5 – Внешний вид ВЭУ
С ее помощью оценивалась возможность работы всей системы в целом в реальных условиях с целью получения объективных данных о совместной работе инвертора и электронасоса, а также работы ВЭУ в режиме заряда аккумуляторной батареи. Структурная схема ВЭУ содержит ветродвигатель 1, зубчатую дифференциальную передачу 2, датчик 3, блок отключения возбуждения 4, регулятор возбуждения 5, аккумуляторную батарею 6, машину постоянного тока 7, инвертор 8, электрическую нагрузку 9.
Разработанная принципиальная электрическая схема инвертора ВЭУ представлена на рисунке 6.
Она состоит из силового модуля, блока управления, генератора постоянного тока и аккумуляторной батареи. Питание осуществляется от источника постоянного напряжения 12 В, с выхода снимается переменное напряжение 220 В с частотой 50 Гц. Для апробации технических мероприятий, направленных на повышение качества функционирования ВЭУ, служащих для электроснабжения погружных электронасосов, необходимо иметь информацию о следующих факторах.
Во-первых, необходима оценка распределения скорости ветра для местности, где предполагается размещение ВЭУ, во-вторых, необходимо иметь сведения об уровенном режиме подземных вод зоны интенсивного водообмена места, где будет эксплуатироваться электронасосная установка.
| Рисунок 6 – Принципиальная электрическая схема инвертора ВЭУ |
В диссертации приведены методики оценки параметров распределения скорости ветра и оценки уровенного режима подземных вод зоны интенсивного водообмена районов Челябинской области. Уровенный режим оценивается параметрами:
– среднемноголетний уровень грунтовых вод; 
– коэффициент вариации, 
– коэффициент асимметрии. Методика оценки параметров распределения скорости ветра заключается в установлении закона и значений параметров распределения скорости ветра для исследуемых районов Челябинской области. К параметрам распределения скорости ветра относятся 
, 
– параметры основания трапеции; 
, 
– параметры формы; 
, 
– максимальная, минимальная скорость ветра соответственно. В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приводятся разработанная структура ВЭУ и схема инвертора, позволяющие обеспечить повышение качества функционирования ВЭУ, результаты оптимизации суммарного времени восстановительных работ по обслуживанию ВЭУ, а также экспериментальных исследований энергетических характеристик ВЭУ и инвертора совместно с электронасосной установкой.
Реализация математической модели позволила оценить интенсивность отказов и восстановлений элементов ВЭУ и определить базовое значение коэффициента готовности кгб, которое необходимо для вычисления технологического ущерба, связанного с порчей с.-х. продукции, и издержек возникающих при проведении восстановительных работ: кгб = 0,967.
Использование системы ППРЭсх и данных завода-изготовителя ВЭУ позволило оценить базовое годовое время восстановления работоспособного состояния, которое составило 100 чел.-ч. На время восстановительных работ особое влияние оказывает характер возможных последствий отказов и экономическая целесообразность проведения этих работ.
Оптимальное значение времени восстановительных работ найдено по новому значению коэффициента готовности (кг = 0,974). Исходя из полученных параметров целевой функции оптимизации годового времени восстановления ВЭУ и реализации программы расчета на ЭВМ определено оптимальное значение времени восстановительных работ 81 чел.-ч.
На основе методики оценки мощности, производительности и типа электронасосного агрегата, требуемых для обеспечения полива, сделан вывод, что для полива участков до 1,2 га могут успешно применяться широко распространенные в сельском хозяйстве для подъема воды из шахтных и трубчатых колодцев погружные объемно-инерционные насосы с электромагнитным вибрационным приводом. Электронасосы марок Малыш, Фонтан, Родничок и др. соответствуют расчетным значениям мощности и гидравлических параметров.
На основе предлагаемых структуры и инвертора разработан экспериментальный образец ВЭУ (см. рисунок 5).
Экспериментальные исследования совместной работы предлагаемой ВЭУ с насосной установкой позволили произвести сравнительную оценку производительности Q и КПД электронасосной системы при питании от сети и этой ВЭУ. Установлено, что при напоре 40 м КПД при питании от сети на 12,67 % выше, чем при питании от ВЭУ. КПД от сети при напорах 10 и 30 м также выше, но незначительно – на 0,12 и 0,6 % соответственно. При 20 м преимущество по КПД при питании от ВЭУ на 1,5 % выше, чем при сетевом питании. Полученные данные подтверждают возможность производительной работы электронасосной системы от ВЭУ при колебаниях мощности развиваемой источником энергии.
Реализация методики оценки параметров распределения скорости ветра подтвердила возможность использования бета-трапециального распределения для оценки ветроэнергетических ресурсов районов Челябинской области и использования ВЭУ для целей водоснабжения. Значения параметров данного распределения для I и II зоны Челябинской области приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры бета-трапециального распределения
для сезонов и зон Челябинской области
| Зона | Время года |  |  |  |  |  |  |
| I | Зима | 0,001109 | 3,46*10-6 | 3,09 | 10,48 | 12 | 0 |
| Весна | 0,001117 | 5,13*10-6 | 2,92 | 9,53 | 12 | 0 | |
| Лето | 0,001412 | 5,83*10-6 | 3,62 | 9,72 | 10 | 0 | |
| Осень | 0,000966 | 2,99*10-6 | 2,86 | 10,49 | 12 | 0 | |
| Год | 0,000641 | 4,66*10-7 | 3,001 | 11,86 | 14 | 0 | |
| II | Зима | 0,001217 | 5,63*10-6 | 3,61 | 13,7 | 12 | 0 |
| Весна | 0,001384 | 2,15*10-6 | 2,66 | 13,97 | 12 | 0 | |
| Лето | 0,001262 | 9,15*10-6 | 4,08 | 14,66 | 10 | 0 | |
| Осень | 0,001855 | 4,03*10-6 | 3,29 | 13,87 | 12 | 0 | |
| Год | 0,001132 | 3,45*10-7 | 2,68 | 16,83 | 14 | 0 |
Полученные теоретические кривые бета-трапециального распределения скорости ветра указывают на хорошее соответствие предложенного теоретического распределения статистическим данным. Для этого в каждой ветровой зоне использовались данные не менее четырех метеостанций, которые своим местонахождением покрывают рассматриваемую ветровую зону.
Установлено, что в отличие от ранее используемых законов для описания распределения скорости ветра, в частности Вейбула, Пирсона, Рэллея наиболее точно данный процесс описывает бета-трапециальное распределение.
В результате оценки уровенного режима подземных вод зоны интенсивного водообмена районов Челябинской области определены параметры
, 
, 
и на их основе построены теоретические кривые обеспеченности уровня подземных вод. Кривые обеспеченности позволяют определять требуемые электрические и гидравлические параметры электронасосного оборудования.В пятой главе «Экономическая эффективность повышения качества функционирования ВЭУ» рассчитана экономическая эффективность от оптимизации времени восстановительных работ и внедрения инвертора.
Экономический эффект от внедрения инвертора ВЭУ, установленной на площади 0,01 га для полива томатов, позволяет получить доход в размере 7,5 тыс. руб. Оптимизация времени восстановительных работ ВЭУ, повлекшая за собой уменьшение количества текущих ремонтов с 12 до 8, позволила получить Чистый дисконтированный доход (ЧДД) в размере 6,2 тыс. руб. при норме дисконта 35 %.
Совокупный экономический эффект от оптимизации времени восстановительных работ и внедрения инвертора, связанный с повышением качества функционирования ВЭУ, позволил получить ЧДД в размере 19,6 тыс. руб. при норме дисконта 35 %.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Полученные модели надежности ВЭУ соответствуют основным графам ее состояний и позволяют определить показатели надежности на стационарном участке режима эксплуатации.
2. Установлена взаимосвязь между показателями надежности и экономичности. При этом к показателям экономичности относятся величина капиталовложений; затраты на проведение восстановительных работ и технологический ущерб, вызванный снижением урожайности. К показателям надежности относятся коэффициент готовности; средняя наработка на отказ и среднее время восстановления.
3. Разработана целевая функция оптимизации коэффициента готовности и времени восстановления, для реализации которой предложены алгоритм и программа на ЭВМ. Установлены оптимальные значения коэффициента готовности и времени восстановления работоспособности ВЭУ для крестьянских (фермерских) хозяйств: кг=0,974; Тв = 81 чел.-ч.
4. Доказана целесообразность использования бета-трапециального закона для описания распределения скорости ветра. Получены параметры этого распределения для районов Челябинской области, например, для летнего сезона района г. Магнитогорска k = 0,001262; l = 9,1510-6; n = 4,08; m = 14,66; xs= 10; xi= 0.
5. Получены параметры распределения грунтовых вод районов Челябинской области, позволяющие обосновать мощность ВЭУ и определить требуемые электрические и гидравлические параметры насосного оборудования. Например, для Малокизильского наблюдательного пункта, расположенного в районе г. Магнитогорска, норма среднемноголетнего уровня, коэффициент вариации и коэффициент асимметрии соответственно составили: H0 = 9,42; Cv = 0,2; Cs = 0,4.
6. Предложенные структурная схема ВЭУ и электрическая принципиальная схема инвертора, апробированные на разработанной экспериментальной установке, обеспечивают повышение экономической эффективности функционирования ВЭУ. Сравнительная оценка полученных значений КПД электронасосной системы и производительности электронасоса для напора 10 м при питании от сети и от ВЭУ показала их незначительное расхождение, соответственно равное 0,12 и 5,2 %.
7. Произведенный расчет водопотребления садово-огородного участка площадью 0,07 га для южных районов Челябинской области показал, что для обеспечения водой участков площадью до 1,2 га могут быть использованы бытовые вибрационные электронасосные агрегаты марок «Малыш», «Фонтан», «Родничок» и др. Продолжительность работы электронасоса «Малыш» на разных напорах при питании от аккумуляторной батареи емкостью 60 Ah составила 54 мин при напоре 10 м.
8. Совокупный экономический эффект от реализации методик и технических средств, связанных с повышением качества функционирования ВЭУ составил 19,6 тыс. руб. при норме дисконта 35 %.
Основные положения диссертации опубликованы
в следующих работах
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Буторин В.А. Использование закона распределения скоростей ветра для функционирования ветроэнергетических установок в Челябинской области [Текст] / В.А. Буторин, В.Н. Кутепов // Доклады РАСХН. – М., 2005. – № 4. – С. 55–57. Представлено академиком Россельхозакадемии Д.С. Стребковым.
2. Буторин В.А. Повышение эффективности использования ветроэнергетических установок в растениеводстве [Текст] / В.А. Буторин, В.Н. Кутепов // Механизация и электрификация с.х. – М., 2006. – № 2. – С. 33–35.
Публикации в других изданиях:
1. Данилов В.Н. Обоснование типа электронасосного агрегата для полива садово-огородного участка региона Челябинской области [Текст] / В.Н. Данилов, В.Н. Кутепов, В.Я. Сокол, И.В. Емченко // Вестник ЧГАУ.– Челябинск, 2002. – Т.37. – С. 55–58.
2. Кутепов В.Н. Ветроэнергетическая установка [Текст] / Кутепов В.Н. // Сборник рефератов научно-исследовательских работ аспирантов / ЮУрГУ. – Челябинск, 2003. – С. 133.
3. Пат. 29419 Российская Федерация, МПК7 U1 7 H 02 K 51/00. Ветроэнергетическая установка [Текст] / Данилов В.Н., Кутепов В.Н.; заявитель и патентообладатель ЧГАУ. – № 2002132705; заявл. 09.12.2002; опубл. 10.05.2003, Бюл. №13.
4. Кутепов В.Н. Ветроэнергетическая установка для садово-огородного участка [Текст] / В.Н. Кутепов // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Проблемы АПК», посвященной 60-летию Победы под Сталинградом / Волгогр. гос. с.-х. акад. – Волгоград, 2003. – С. 46–47.
5. Кутепов В.Н. Ветроэнергетическая установка [Текст] / Кутепов В.Н. // Материалы XLII науч.-техн. конф. / ЧГАУ. – Челябинск, 2003. – Ч.3.– С. 97–100.
6. Буторин В.А. Оценка параметров распределения энергии ветра центральных и южных районов Челябинской области [Текст] / Буторин В.А., Устинова Е.А., Кутепов В.Н. // Материалы XLIII науч.- техн. конф. / ЧГАУ. – Челябинск, 2004. – Ч.2. – С. 239–241.
7. Банин Р.В. Разработка конструкции ВЭУ для водоснабжения фермерского хозяйства [Текст] / Р.В. Банин, В.Н. Кутепов // Вестник ЧГАУ.– Челябинск, 2005. – Т.44. – С. 12–15.
8. Буторин В.А. Использование марковских процессов для оценки комплексного показателя надежности ветроэнергетических установок (ВЭУ) [Текст] / В.А. Буторин, В.Н. Кутепов, И.Б. Царев, А.Э. Дзюба // Вестник ЧГАУ. – Челябинск, 2006. – Т.46. – С. 32–35.
9. Буторин В.А. Обеспечение энергосбережения путем оптимизации норм запасов предприятий по ремонту электродвигателей [Текст] / В.А. Буторин, И.Б. Царев, В.Н. Кутепов // Труды 5-й междунар. науч.-практ. конф. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике / ГНУ ВИЭСХ. – М., 2006. – Ч.3. – С. 392–396.
10. Буторин В.А. Прогнозирование надежности ветроэнергетической установки [Текст] / В.А. Буторин, В.Н. Кутепов, И.Б. Царев // Труды 5-й междунар. науч.-практ. конф. Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология / ГНУ ВИЭСХ. – М., 2006. – Ч.4. – С. 228–232.
11. Буторин В.А. Оценка качества функционирования ветроэнергетических установок (ВЭУ) в условиях эксплуатации [Текст] / Буторин В.А., Кутепов В.Н., Царев И.Б., Зайцев И.В. // Сб. науч. ст. «Методы и средства технической диагностики» / Мар.гос.ун-т. – Йошкар-Ола, 2006. – Вып. XXIII. – С. 222–226.
12. Пат. 2287718 Российская Федерация, МПК7 С1 F 03 D 9/02. Ветроэнергетическая установка [Текст] / Банин Р.В., Кутепов В.Н.; заявитель и патентообладатель ЧГАУ. – № 2005115134/06; заявл. 18.05.2005; опубл. 20.11.2006, бюл. № 32.
13. Пат. 2284639 Российская Федерация, МПК7 C1 H02M 7/5375. Инвертор напряжения [Текст] / Банин Р.В., Кутепов В.Н.; заявитель и патентообладатель ЧГАУ. – № 2005120264/09; заявл. 29.06.2005; опубл. 27.09.2006. бюл. № 27.
14. Кутепов В.Н. Экономическая эффективность оптимизации времени восстановления ветроэнергетических установок [Текст] / Кутепов В.Н., Рукавишникова М.Ю. // Материалы XLVI междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки – агропромышленному производству» / ЧГАУ. – Челябинск, 2007. – Ч.2. – С. 192–197.
15. Butorin V. The model of reliability calculation of wind energy installation [Тext] / Vladimir Butorin, Vladimir Kutepov // 12th International conference “Technical and technological progress in agriculture” / Institute of Agricultural Engineering LUA. – Kaunas, 2007, PROCEEDINGS pp. 222–225.
16. Банин Р.В. Оценка энергетических и гидравлических параметров объемно-инерционного насоса «МАЛЫШ» при колебаниях развиваемой источником энергии мощности [Текст] / Банин Р.В., Кутепов В.Н. // Материалы XLVII междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки – агропромышленному производству» / ЧГАУ. – Челябинск, 2008. – Ч.4. – С. 3-8.
Подписано в печать 10.11.2008 г.
Формат А5. Объем 1,0 уч.-изд.л.
Тираж 100 экз. Заказ № 332.
УОП ЧГАУ