Книги, научные публикации
Pages: | 1 | 2 | 3 | 4 | ... | 5 | РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ ЕВРО-АЗИАТСКАЯ АССОЦИАЦИЯ СИГР СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ...
-- [ Страница 2 ] --ticide applications. They also increase the productivity of other operations. Automatic guid ance is on its way to be a requirement for new tractors and some self-propelled equipment, including fertilizer and pesticide applicators.
Equipment for precision agriculture also continues to sell, although the enthusiasm and sales are tempered by difficulties in using the technologies for effective management. The large amount of data manipulation and intervention required, and the uncertainties of what should be done, have caused some to be disappointed. Yield mapping technologies are be coming standard on grain harvesters and variable rate controls are achieving some penetration on fertilizer and pesticide application. The trend appears to be to make systems, which are both, easier to use and more open, so that they can be used with more software.
There appears to be a trend for continued adoption of the controller area network (CAN) bus on agricultural equipment. This standardized communications network allows the various controllers and other electronic devices to communicate with each other. It has reached the point of maturity where ISO 11783 is now viewed as the communications stan dard for this industry.
Continuously variable tractor hydromechanical transmissions were introduced later into the USA than into Western Europe. However, their recent introduction has drawn con siderable interest. It is likely that they will increase their market share.
Perhaps the overriding concern of those attempting to sell powered agricultural equipment in the USA is the increasingly strict engine emission standards. This is requiring very major investments in technology development and will affect equipment prices. The Tier 3 emissions standards are being reached. However, the very substantial further reduc tions in NOx and particulate matter (PM) required in Tier 4 has the industry very concerned.
These standards will start to be applied in 2008 and be completely enforced by 2014. The strict requirements will probably require advanced engine controls, comprehensive exhaust after-treatment, and good low-sulfur fuels. The current uncertainty of the available technolo gies and the overall costs of the after treatments raise great concerns. Controlling emissions in agricultural equipment and other off-road machinery can be difficult due to the more ad verse and varied conditions of use. The many models and sizes, combined with the relatively low volumes of sales of those models and sizes, contribute to the difficulty in being able to devote the resources necessary to solve such a problem.
The agricultural equipment industry has long been globalized. This is not surprising, given the fact that agriculture of some type is practiced in all countries. This globalization takes many forms. In some cases it is simple importation of equipment from centralized fac tories in developed countries. In other cases, it is local manufacture of foreign designs. One rather unique situation for agricultural equipment is the global marketing of globally dis persed manufacturing to locate the manufacturers near their most natural markets. For exam ple, large tractors could be made in North America, medium tractors in Western Europe, and small tractors in Asia. All sizes might be sold worldwide, but manufactured where they dominate. Cost of production and achieving sufficient economies of scale may also drive the particular type of globalization. For example, they may be behind AGCOТs recent decision to cut combine manufacturing in Denmark to only high-specification models and make a long term agreement to have entry-level and mid-level combines manufactured for them in Italy.
Another globalization strategy is to produce the same equipment in multiple locations throughout the world. This provides the manufacturer with some protection against labor ac tions, currency fluctuations, and political situations.
There is much political discussion in the USA about УoutsourcingФ. There has been a long, and sometimes politically unpopular, trend for manufacturing to be moved to countries ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
with lower labor costs and less regulations, such as countries in Latin America, Asia, and Eastern Europe. There was also some internal migration in the USA from the northern states to the southern states. But with the extension of globalization to service, technical, and managerial tasks, the level of political concern has increased even more. Although the change has been much less abrupt in the agricultural equipment industry, the trend to globalization continues. Leading engineering universities in the USA are now making much greater efforts to prepare students for such environments. For example, twenty percent of the engineering graduates at the University of Rhode Island also receive a college degree in German, French, or Spanish language.
The USA agricultural equipment market is the worldТs largest in total value, although more units of certain machines are sold in other large countries, such as India, China, and Brazil. Due to its size, there are many participants in the market. They include the large mul tinationals and manufacturers from North America, Europe, and Asia. Success in the USA, as elsewhere, depends upon the usual factors of appropriate product, strong dealership organi zation, and good parts and service. Importers have been able to prosper especially where they fill needs which some USA farmers feel are neglected by a perceived concentration of multi nationals on large equipment and equipment for high-area crops.
The globalization has also led to the Уgray marketФ issue. These are machines, which are imported into countries through non-official channels. In the USA, the concern earlier was most with small tractors from Japan. Now self-propelled forage harvesters and telehan dlers from Europe are also an issue. Companies claim that there are problems with warranty, parts and attachments, and legal liability issues with such imports. Consumers see it as a way to get unique or less expensive products.
There are many other trends or issues that have recently arisen in the contemporary USA agricultural equipment industry. These include:
Х being concerned with meeting the European Machinery Directive.
Х remanufacturing. Will the agricultural equipment companies follow the lead of Caterpillar who has purchased engine and transmission remanufacturing companies?
Х qualified service verification. John Deere is now matching sales delivery or rental receipts to the dealerТs training. To sell certain pieces of equipment someone from the dealerТs staff must have passed an exam on the relevant training. Will this apply to agricultural equipment?
The agricultural equipment industry in the USA appears to be recovering from the down cycle. This may be due to improved credit availability and lower interest rates, as well as pent-up demand for replacement equipment. The U.S. Ag Flash Reports (AEM, 2004) re leased in September 2004 report USA sales in the January through August sales periods, Ta ble 1.
Table 1.
Sales of tractors and combines in the USA.(AEM, 2004) Equipment Jan - Aug 2003 Jan - Aug 2WD Tractors (< 40 HP)* 92,123 99, 2WD Tractors (40 - 100 HP)* 40,718 47, 2WD Tractors (> 100 HP)* 9,141 13, 4WD Tractors** 1,703 2, Self-Propelled Combines 2,596 3, ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
All the tractor categories and the combines show increases in sales. This optimism is reflected in the total predicted sales forecast for the full year, Table 2.
Table 2.
Predicted sales of tractors and combines in the USA.(AEM, 2004) Equipment 2004 Forecast 2005 Forecast 2WD Tractors (<40 HP)* 131,485 136, 2WD Tractors (40 - 100 HP)* 63,761 66, 2WD Tractors (> 100 HP)* 16,700 16, 4WD Tractors** 3,376 3, Self-Propelled Combines 5,808 6, *including tractors with front wheel drive with small wheels **large tractors with same size front and rear wheels The situation in Canada has not improved yet, although the market for smaller tractors is expected to improve in 2005.
The improving USA situation has been reflected in improving profitability for the ma jor manufacturers in that market. For example, DeereТs operating profits have gone from US$252 million to US$817 million to US$1212 million from 2001 to 2002 to 2003. The best projection for the future of the agricultural equipment industry is that it is a mature market with most of the sales being replacement equipment. No revolutionary products are being in troduced which would create rapid technological obsolescence and radical changes in sales.
The large markets will likely continue to be dominated by the large multinationals, principally Deere, CNH, and AGCO. Smaller companies and importers will continue to successfully ser vice smaller markets and those farmers in large markets who demand the lowest cost equip ment. Electronics will continue to increase in importance due to the increased functionality they provide. However, their contribution to equipment cost will not increase proportionately due to the electronics industryТs continued cost declines per unit of performance.
GLOBAL TRACTOR DEVELOPMENT Hundreds of excellent references have been written on engine power, single-axle and two-axle tractors. No attempt is made herein to cite all the relevant references, but one excel lent overview is presented in the comprehensive CIGR Handbook, Volume III, entitled Plant Production Engineering (Stout and Cheze, Editors, 1999). This handbook deals not only with tractors, but also with tillage machinery, pest control equipment, harvesters and threshers, and most other types of farm equipment. It was authored by some 40 experts from around the world.
The focus in this paper is on a few principles of tractor development, based on the life time work of coauthor Dr. Karl Renius. He>
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Table 3.
Basic specifications of tractors by technology levels: worldwide view for two-axle tractors.
ROPS means УRoll-Over Protective StructureФ. (Renius,2002) Technology level I is the lowest and V the highest. Reliability and durability are not included in this>
The lowest technology level, I is characterized by a low power level, only rear wheel drive, low comfort (no cab), low overturning resistance (typically no ROPS) and very simple components. Level I represent the predominant tractor population in China (small two axle tractors) and similar regions. Level I may well meet the needs of many farmers in other less developed countries. Level I was also found in India in the past, but now India is moving to wards Level II.
A new tractor line in India with some interesting principles of technology transfer and international cooperation was described by Firodia, Bacher, and Renius (1999). This tractor, called the Tempo OX, focused on the following customer expectations:
Х improved power with high torque backup for operating in different agro-climatic conditions, Х efficient transmission and easy shifting of gears, Х higher capacity of hydraulics with sensitive response, Х good ergonomics, Х high reliability, Х reduced vibration and noise, and Х modern appearance.
The OX family of tractors is fully indigenous (in India) and therefore can be manufac tured at very low cost. What has been created is truly a modern tractor, comparable in per formance and characteristics to world market standards in its>
Level IV describes the typical modern tractor in highly developed regions such as Mid-Europe, North America, Japan and others. But these markets are moving toward Level V, mainly characterized by infinitely variable transmissions and more sophisticated diesel en ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
gines---both with electronic control systems and common automatic control strategies, also called Уdrive line managementФ.
TECHNOLOGY LEVELS FOR TRACTOR COMPONENTS The principle of definition of technology levels can also be applied to tractor compo nents. The transmission is considered the most important component in terms of first cost, mostly in terms of development costs.
The tractor transmission consists mainly of the speed change and reverse gearbox, the final drive with service brakes, the four-wheel drive mechanism and the PTO drive line often including auxiliary drives such as the main hydraulic pump. The most important differences regarding technology levels can be found in the speed change concept, Table 4.
Table 4.
Technology levels for tractor transmissions (concentrated on the speed change and the reverser functions). SG: Sliding Gear shift, CS: Collar Shift, SS: Synchronised Shift, HiLo: 2-speed power shift, PPS: Partial Power Shift (3 or more speeds), FPS: Full Power Shift (all speeds), CVT: Continuously Variable Transmission, ( ) options.(Renius, 2002) The simplest gearbox of Level I offers only 6 forward and 2 reverse speeds, and shift ing is done by sliding gears or collar elements covering a relatively small speed range. This technology was typical for Western Europe and North America in the 1950s and later became important for several developing countries (India for example). At this time the Indian market requirements move towards Level II. For example, the transmission in the Indian Tempo XO tractor is synchronized with 4 basic speeds and a mixture of collar shift and sliding gear shift resulting in 8 forward and 4 reverse speeds. It has alarge master clutch, 2 PTO speeds, high performance lifetime wet disc brakes and an extra strong final drive.
Level III has been typical for smaller tractors in the industrialized countries while the popular concept is toward Level IV in recent years. Level V represents an increase in tech nology with infinitely variable transmissions of a new-sophisticated generation. They offer considerably higher efficiencies and more automatic functions than is the past. Compared with, The energy loss of the new CVT units (without final drive) is only about half that of conventional hydrostatic units such as used on Japanese tractor transmissions due to the power split principle and optimized or completely new axial piston units.
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Tractor manufacturers marketing their products in many counties must minimize the number of mechanical parts in each family of their complete tractor line. Such a manufacturer can use interchangeable parts at Levels IV and V, but it will be difficult to use the same parts for Levels I and II which are typical for countries such as China and India. Less developed countries should therefore look for technology transfer strategies based on proven tractor de signs suitable for their level of technology.
Reducing Manufacturing Costs (Reid, Schueller, and Norris, 2003;
Harms, 2003):
For agricultural equipment to be practical, it must be affordable to the users and prof itable for the manufacturers. Therefore, manufacturing productivity and efficiency of agricul tural equipment is an important part of the systems engineering necessary to improve our food production systems.
Figure 4 illustrates the processes the agricultural industries use in the development of new products. It shows the linkage between the new concepts for products that come from Product Planners or Advance Engineering groups and results in identification of a product de velopment timeline including the influence of R&D, manufacturing, sales, service and fi nance. New concepts inputs to the process are heavily influenced by the ability of the manu facturer in providing the capabilities to be found in new products. The output of the process is products that meet customer needs. This leads to consideration of product families (e.g, trac tor series), re-use of well-developed subsystems (e.g., transmission and engine components), and manufacturing capabilities of the organizations. Strong supplier relationships have been used to provide those components that do not differentiate the manufacturer from their com petition (e.g. hydraulic components). Over the years, these processes have interacted to result in a highly efficient organization for the production of agricultural equipment.
But the efficiencies that have been accomplished over the last twenty years are being further stressed to become more efficient in the face of decreased sales and changing distribu tion of the agricultural workforce worldwide. User requirements for additional electronics, controls and corresponding software require a high level of manufacturing efficiency while adding an ever increasing level of complexity to the management and manufacturing proc esses. To meet these additional requirements and because project management is an out growth of systems management, traditional project management is migrating towards the use of system engineering tools. Through the application of these tools, the design, manufacture, and life cycle of products are considered early in the project development cycle. Early appli cation of systems tools reduces cost, improves efficiency and minimizes risks associated with increased electrical content.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Figure 4. Example schedule of managing new projects (Reid, Schueller and Norris, 2003) ELECTRONICS AND MECHATRONICS SYSTEMS Replacing mechanical functionality with electronic functionality might also reduce manufacturing costs. Just as electromechanical servomotors are computer-tuned to get re sponses based upon their industrial application, agricultural equipment components can be similarly adjusted.
In the markets of less-developed countries, it may make sense to have a slower adop tion of electronic content in equipment since a critical issue is the serviceability of machines in the field. This is based on the presumption that less developed countries find it easier to support a mechanical-service infrastructure than an electrical-service based infrastructure.
Mechatronics is the synergistic combination of mechanical engineering, electronic en gineering, control engineering, and information sciences (Figure 5). Mechatronics character izes a general trend of increasing automation. Previous products have treated the mechanical and electronic design as separate entities. Fusion of these systems in design will lead to de creased costs in design and manufacturing and increased functionality. In effect mechatronics becomes the implementation of systems engineering principles resulting in the efficient de sign of electro-mechanical systems.
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Figure 5. Mechatronics systems combine mechanical, electrical and computing tech nologies to create equivalent functionality (Zhang, 2003) SYSTEMS APPROACH TO MANUFACTURING Due to current agricultural equipment complexity, some agricultural manufacturers are adopting systems engineering methods to reduce the costs of machinery and mitigate the risks involved in the design and manufacture of ever more complex machinery. The systems ap proach proceeds with design synthesis and system validation while considering the complete problem and product life cycle including disposal. In short, a systems approach considers both the business and the technical needs of all stakeholders with the goal of providing a qual ity product that meets the user needs.
The systems approach has three major components as shown in Figure 6:
Figure 6. Systems approach to manufacturing (Reid, Schueller and Norris, 2003) ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
УRequirements ManagementФ consists of requirements capture and allocation. Re quirements capture involves capturing and using stakeholder requirements to yield product specifications while requirements allocation involves developing systems architecture possi bilities and systematic requirements traceability. The modular components of a system or sub-system are defined by form, fit, function and input/ output definitions УTop Down Design and SimulationФ and УBottom Up Design and SimulationФ used in the design process will improve product quality while eliminating prototypes, reduce product delivery cycle time, and optimize machine performance. УBottom Up Simulation and Analy sisФ which involves simulation and analysis starting from the component level and working upward. Examples include the finite element analysis of wheels and three-dimensional dy namic simulation of a tractor. Rapid prototyping, virtual simulation, and design for assembly and manufacture are possible methods that may be involved. УTop Down Synthesis and Simu lationФ involves product development (synthesis) from upper level requirements. For exam ple, fleet system simulation and optimization, synthesis of machine systems, to synthesis of kinematics. An additional aspect of this process is the design of modular system architec tures.
Harms (2003) described the concept of simultaneous (or concurrent) engineering.
Without early and simultaneous involvement of all departments, specialists, suppliers and po tential external consultants, one can no longer develop ever more complex agricultural ma chines. In that case УsimultaneousФ means to be faster to the market, because all manufactur ers can contribute their expertise earlier, and also have the opportunity to use the expertise of the various specialists as early as possible. Thus, the product quality and the market use is im proved simultaneously. In former times and with small machines, one could afford to have machines designed and looked after by one specialist. Today this is no longer feasible due to the fact that machines have become too complex. For various conditions in different markets it is important to cooperate with a very high flexibility in the field of design, production, pur chasing, controlling and marketing.
In all parts of the industry there is great pressure on the development departments, Ta ble 5.
Table 5.
Pressure on the development department.(Harms, 2003) Pressure on Time Pressure on Costs Pressure on Quality short product life time increasing complexity realization of customers request quicker in the market outsourcing flexibility of development process accelerate development overhead expenses integration of special know process how development process must be production expenses innovative concepts for new shorter than product products life time ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
УSimultaneous (or Concurrent) EngineeringУ, is a process wherein products and pro duction equipment are developed simultaneously by interdisciplinary teams and sub-suppliers are involved as early as possible. The main advantages of the SE-method are a much shorter development period, lower development cost and earlier market presence.
AGRICULTURAL MECHANIZATION POLICIES:
Almost 30 years ago, Stout and Downing (1976) wrote about the need for a coherent mechanization policy. They pointed out that in most countries development plans provide ba sic policy guidelines for agricultural development;
but the component of these plans concern ing mechanization policy is generally weak or non-existent. This is a serious failing, for it is increasingly recognized that mechanization profoundly influences factors such as the volume and quality of production;
the productivity of both land and labor;
the cost of production;
the level of employment;
migration of agricultural wage earners and farmers;
land ownership pat terns;
the development of mechanical skills and of manufacturing and service-related indus try;
and foreign exchange. These are all very important factors for the national economy of any country and each requires careful and deliberate consideration.
All governments should therefore work out a coherent and consistent set of aims and approaches, which in aggregate constitute an agricultural mechanization policy, and should make sure that the role of mechanization is understood by all.
Adequate mechanization policy involves much more than production and employment considerations;
in addition it includes objectives concerning consumer prices, land tenure, conservation and energy. Some of the basic questions concerning mechanization it will at tempt to resolve are: Is tractor mechanization to be promoted? What operations should be fur ther mechanized? Where (i.e. to what particular crops, areas or production bottlenecks) should mechanization be applied? What levels of mechanization (i.e. hand tools, animal-draft or trac torization) should be applied? What is the best way to promote the desired mechanization?
The major components of a mechanization policy may be broadly categorized as tech nical, on the one hand, and economic and social on the other. Before examining the various technical considerations that should guide a mechanization policy, it must be emphasized that a successful agricultural program, with or without mechanization, must include measures to ensure the availability and proper use of modern inputs such as high yielding varieties, fertil izers, improved water control systems and crop protection chemicals as well as labor, draft animals, hand tools, and engine powered machines.
TRAINING AND EDUCATION One of the first priorities is to provide training and education for users of mechanical equipment, whether hand operated, animal drawn, or motorized. Training facilities are needed for mechanics, technicians and engineers, those who will design equipment, work as exten sion officers, conduct mechanization research and supervise mechanization programs.
MANUFACTURING, DISTRIBUTION, SERVICE AND REPAIR Development of a local farm equipment industry provides alternative employment, re duces dependence on imports, saves foreign exchange and facilitates the supply of spare parts and service. Adequate supplies of spare part are essential for the smooth and efficient opera tion of a mechanization program.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
IMPORTS AND JOINT VENTURES Equipment designed for use in Europe and North America often has to be modified and strengthened or even completely redesigned to ensure mechanical reliability and to fit in with local agricultural practices. Joint ventures where international companies collaborate with local manufacturers have become commonplace in recent years. Examples include Deere and companyТs joining with ChinaТs state owned Tianjin Tractor Manufacturing Company and CNH joining with the Shanghai Tractor and Internal Combustion Engine Corporation.
FUEL SUPPLIES Engine powered equipment requires a steady, dependable supply of fuel, which is an essential task of a mechanization policy to ensure, especially in times of shortages and higher prices.
RESEARCH Appropriate research on agricultural mechanization systems should be encouraged and funded at existing national and regional institutions. These may be universities, institutes for agricultural research, machinery testing centers or other agencies. Research can be strength ened by better financing, better qualified staff, better facilities, better communication between agencies and disciplines, and integration with general agricultural research.
CREDIT Since most farmers in less developed countries have accumulated very little capital, any move to higher-level mechanization will require a supply of credit to small manufacturers and farmers.
STORAGE, TRANSPORTATION, POST-HARVEST PROCESSING AND MARKETING The goal of increased production assumes the existence of a market. Storage, trans portation and Post-harvest processing are important links between the farm and the market.
MECHANIZATION POLICY COMMITTEE A special co-ordinating committee (or working group) should be appointed and made responsible for drawing up a detailed mechanization policy and program to accelerate the de velopment and efficient application of equipment for agricultural production and post harvest handling and processing. It activities might include:
1. a broad program of research to define the role of agricultural mechanization in each country, 2. prioritizing mechanical research and development projects, 3. testing and functional evaluation as well as reliability and durability, 4. operating demonstration farms in cooperation with extension specialists, 5. collaborating with manufacturers, 6. provide extension services 7. economic and social considerations, effect on employment, 8. calculation of cost/benefit ratios AGRICULTURAL/MECHANICAL ENGINEERING EDUCATION Education and research has been discussed in the previous section, but another aspect needs to be mentioned. In North America, Europe and other countries as well, the Power and Machinery (mechanization) programs in many agricultural engineering departments have ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
been severely reduced almost to the point of elimination. Many agricultural engineering de partments have added the word biological, or biosystems to the department name and some have removed the wordЧagriculture. The idea is that the machinery manufacturers can pro vide all the needed engineering expertise. But where will the machinery companies find that mechanical expertise? Certainly not in most of the agricultural engineering programs in US universities. The same is true in many European universities. And FAO has recently down graded its mechanizations services. IRRI has nearly eliminated its once mighty mechaniza tion research program.
A recent article in the widely read US magazine, Successful Farming, decries this move away from practical applications of agricultural engineering and mechanization. It cites the example of a well-known practical agricultural mechanization specialist, Dr. Graeme Quick, who was recently allowed to retire from Iowa State University and return to his home in Australia. The author of this article, Dave Mowitz, asks where will we find the practical engineers specializing in agricultural mechanization in the future? He writes, УNever mind that agriculture is still the number one occupation in many states (in the US and around the world) as well as the largest single industry in the country (US). Yet it seems that university administrators are turning up their collective noses at production agriculture. At times they act embarrassed to deal with the day-to-day aspects of farming and ranching.Ф (Mowitz, 2004) My message to you---donТt let this situation develop in China or in other countries where agriculture is so important to the national economy.
ENGINEERS---PART OF THE INTERDISCIPLINARY TEAM Engineering has the potential to contribute to a wide variety of options to help increase production and productivity and thereby reduce poverty and increase food security and safety.
All too often, however, we have missed opportunities by working on micro-studies in isola tion and interpreting our role too narrowly. We havenТt communicated our achievements ef fectively in terms that the public, policy makers, and other disciplines can appreciate. We are very good at what we do, but too many of us are content to focus on micro-studies;
that is, problems with well defined boundaries that lend themselves to quantitative analysis. Many of us are uncomfortable when faced with broad issues that may be poorly defined and often un bounded;
problems such as poverty, illiteracy, unequal income distribution, and food security and safety. We prefer to withdraw to our labs and develop and validate mathematical models that have clearly defined, finite boundaries. We can then present our results with confidence based on mathematical principles, the laws of physics, thermodynamics and so on. And this type of work is important. We should be justifiably proud of our talents and accomplishments.
But the technical and mathematical aspect is only part of the picture;
sometimes the easy part.
The fundamental objective of engineering should be to help people, so we must strive to be a part of interdisciplinary teams that include social, economic and even political dimensions.
So my challenge to you is to look at the big picture---think globally and multidiscipli nary. Look for ways for industry and university/government engineers to work with other specialists to solve bigger problems. AskЧwhat are the major agricultural-related problems in the world today? And how can we contribute to solutions? We have already talked about a systems approach for solving mechanical design problems, but now we are thinking about working within a multidisciplinary environment. In this way engineering can have a direct impact through research and development as well as an indirect impact by being a catalyst for increasing the impact of other disciplines. By adopting a demand-led systems approach that considers all stakeholders involved in the production to consumption chain, intervention points can be better identified and targeted and R&D can be better focused to achieve outputs ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
appropriate for each target group. Combined with a problem-solving orientation rather than a technology focus, hardware development becomes a tool and not an end in itself. To capture the opportunities that a systems approach offers will require engineers to work more closely with target groups in a more multidisciplinary environment. As such, it may be necessary to develop or tap into a wider set of skills (such as economics, operations research, ergonomics, business management, agronomy, etc.). Problem solving, not technology generation, must be the focus.
Some big problems that agricultural engineers can address include feeding an expand ing world population, improving income distribution so everyone will have the purchasing power to afford a balanced and nutritious diet (food security), natural resource conservation and efficient management (soil, water, energy, etc.), maintaining the environment (preventing soil degradation, maintaining water and air quality, etc.), maintaining food safety, and creat ing a safer workplace. Mechanization must be considered in the context of this broader set of issues.
I also challenge you to become more involved with public policy issues and to let ad ministrators and policy makers know about the benefits of your work to society and to ensure that agricultural engineering (mechanization) is on the national and local research priorities list. No one person can do these things aloneЧit is up to all of us to broaden our horizons, think and talk more about the impact of our work on humans;
and thereby strengthen our pro fession and increase our service to humanity (Stout, 1997).
REFERENCE AEM. 2004. УU.S. Ag Flash Reports.Ф Association of Equipment Manufacturers.
Accessed 25 September 2004.
Clarke, L. and C. Bishop. 2002. Farm PowerЧPresent and Future Possibilities in De veloping Countries. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. IV. Invited Overview Paper. Presented at the ASAE Interna tional Meeting/CIGR World Congress. July 30. Chicago. 19 pp. cigr-ejournal.tamu.edu Firodia, A., R. Bacher, and K. Renius. 1999. Transfer of Technologies from Devel oped to Developing Countries: Experiences and Results in Asia and the Far East. The Case of India. Proceedngs of the 10th Meeting of the Club of Bologna, Nov 14-15. pp 117-127.
Harms, H-H. 2003. Possibilities to Reduce Manufacturing Costs of Tractors and Agri cultural Equipment. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. VI. Invited Overview Paper. Presented at the Club of Bolo gna meeting. Nov 16. 9 pp. cigr-ejournal.tamu.edu Krutz, Gary W. and John K. Schueller. 2000. Advanced Engineering: Future Direc tions for the Agricultural and Biological Engineering Profession. Journal of Agricultural En gineering Research. 76: 251-265.
Mowitz, D. 2004. Practical Engineering at Risk. Successful Farming. September.
Reid, J., J. Schueller, and W. Norris. 2003. Reducing the Manufacturing and Manage ment Costs of Tractors and Farm Machinery. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. V. Invited Overview Paper. Pre sented at the Club of Bologna meeting. Nov 16. 12 pp. cigr-ejournal.tamu.edu Renius, K. 1989. The Industrial Process of Implementing Innovative Ideas to Farm Machinery. Proc. 1st meeting of the Club of Bologna. Bologna, Italy. Pp. 57-66.
Renius, K. 2002. Global Tractor Development: Product Families and Technology Levels. Proceedings Actual Tasks on Agricultural Engineering Symposium. Opatija, Croatia.
March 12-15. p 87-95.
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Schueller, John K. and Bill A. Stout. 1995. Agricultural Trends and their Effects on Technological Needs for Farm Equipment in the 21st Century. Proc. Club of Bologna. Bolo gna, Italy. November 6-8. pp. 65-76.
Schueller, J.K. and T.M.P. Wall. 1986. Tractorisation and the Tractor Industry in In dia. ASAE Paper No. 86-5002.
Stout, B. 1997. Challenges and Opportunities for Agricultural Engineers. Resource Magazine. American Society of Agricultural Engineers. Sept. p 19.
Stout, B. and C. Downing. 1974. Selective Employment of Labor and Machines for Agricultural Production. Monograph No. 3. Institute of International Agriculture. Michigan State University. East Lansing, Michigan. USA. 23 pp.
Stout, B. and C. Downing. 1974a. Selective Mechanization: a Hope for Farmers in Developing Countries. Agricultural Mechanization in Asia. Summer. p. 13-17.
Stout, B. and C. Downing. 1975. Counterpull. FAO CERES. Jan-Feb. p. 43- Stout, B. and C. Downing. 1976. Agricultural Mechanization Policy. International La bor Review. 113(2): 171-187.
Stout, B. and B. Cheze (Ed). 1999. Plant Production Engineering. CIGR Handbook Vol III. American Society of Agricultural Engineers. 632 pp.
Zhou, X., R. Dong, S. Li, G. Peng, L. Zhang, J. Hou, J. Xiao and B. Zhu. 2003. Agri cultural Engineering in China. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Vol. V. Invited Overview Paper. 11 pp. cigr ejournal.tamu.edu Билл Стаут, Факультет биологической и сельскохозяйственной инженерии Техасский сельскохозяйственный и машиностроительный университет, США Карл Рениус Факультет машиностроения, Мюнхенский технический университет, Германия Джон Шулер Факультет машиностроения, Университет штата Флорида, США ПРОИЗВОДСТВО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ И ЕГО АКТИВИЗАЦИЯ В МЕНЕЕ РАЗВИТЫХ СТРАНАХ Резюме Механизированное сельское хозяйство - это реальность! Ручные орудия, маши ны, приводимые в движение тяговыми животными, и трактора применяются в каждой стране. Сельскохозяйственные инженеры и инженеры-механики востребованы для кон струирования эффективного оборудования или для выбора соответствующего размера и типа машин для местных условий.
Глобальное производство сельскохозяйственной техники обсуждается наряду с созданием совместных предприятий и другими совместными усилиями с производите лями.
Представлены некоторые принципы глобального развития тракторостроения.
Определены пять технических уровней в зависимости от мощности двигателя, типа трансмиссии, гидравлических и электронных систем и т.д.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Включен раздел о снижении производственных затрат с особым акцентом на системный подход, сближающий многие виды специальных знаний для ускорения ин женерно-технического прогресса и снижения затрат.
Подчеркивается критическая необходимость в высокообразованных инженерах практиках и механиках сельского хозяйства. Этот тип высококвалифицированных кад ров потерян во многих университетах США и других странах мира. Не допустите, что бы это случилось в России!
Наконец, обсуждается необходимость участия сельскохозяйственных инжене ров-механиков в качестве ключевых фигур в междисциплинарных коллективах. Очень часто мы концентрируем слишком много внимания на микро-исследованиях и не видим общей картины - то есть ключевых проблем, которые стоят перед сельским хозяйст вом, таких, как задача накормить все возрастающее население планеты, совершенство вание распределениях доходов, чтобы все люди имели покупательную возможность позволить себе сбалансированные и питательные продукты, сохранение и использова ние природных ресурсов, охрана окружающей среды, включая качество воздушной и водной среды, и так далее. Механизация сельского хозяйства должна рассматриваться в контексте этих широких проблем.
Получено 12.04.2005.
Д.С. Стребков, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, профессор Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), Москва СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: СОСТОЯНИЕ И БУДУЩЕЕ РАЗВИТИЕ Рассмотрены важнейшие факторы, материалы и технологии, определяющие роль солнечной энергии в будущем производстве энергии. Ключевые факторы включают эффективность преобразования солнечной энергии не менее 20%, возможность произ водства электроэнергии 24 часа в сутки, 50 лет срок службы энергетической системы, цену 1000 американских долларов за киловатт пиковой мощности, доступность и низ кая цена материалов для солнечной электростанции и экологическая безопасность про изводства и работы солнечной электростанции.
Новые принципы преобразования солнечной энергии, новые технологии солнеч ного кремния, производства солнечных элементов, герметизации солнечных модулей, использование стационарных солнечных концентраторов и новых методов передачи электрической энергии для глобальной солнечной энергосистемы обеспечат к концу столетия 60 -90% долю солнечной энергии в мировом производстве энергии.
ВВЕДЕНИЕ Ресурсы солнечной энергии огромны и доступны каждой стране. Количество солнечной энергии, поступающей на территорию России за неделю, превышает энер гию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана. В России и Европе доля солнеч ной энергии в виде биомассы и гидроэнергии составляет 6% в общем производстве энергии, в развивающихся странах 80% [1]. По терминологии, принятой в ООН, все ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
виды энергии, в основе которых лежит солнечная энергия, называются возобновляе мыми источниками энергии (ВИЭ).
Доля ВИЭ в потреблении энергии в странах ЕЭС должна возрасти до 12% до 2010 г., а установленная мощность солнечных энергетических систем (СЭС) должна увеличиться до 3 ГВт в 2010 г. Доля ВИЭ, включая гидроэнергетику, должна состав лять 22, 1% в потреблении электроэнергии в странах ЕЭС до 2010 г. В 2003 г. потреб ление энергии в ЕЭС составляло 2880, 8 ТВтч. В 2030 г. прогнозируемая установлен ная мощность СЭС, использующих фотоэлектрический метод преобразования солнеч ной энергии в мире составит 300 ГВт при стоимости 1000 евро/кВт и стоимости электроэнергии 0,05-0,12 евро/кВтч [2]. Возобновляемые источники энергии будут за мещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии, теплоты и жидкого то плива.
На Саммите на Окинаве, Япония в июле 2000 года лидеры "большой восьмерки" создали международную специальную группу и группу советников для определения барьеров и подготовки решений для достижения существенных изменений в развитии мировой возобновляемой энергетики. В докладе [3], подготовленной специальной группой и утвержденном лидерами большой восьмерки на Саммите в Генуе в июле 2001 года, поставлена задача за десять лет обеспечить 2 млрд. человек в мире энергией с помощью ВИЭ и предложена концепция электрификации сельского хозяйства разви вающихся стран.
Общая стоимость проекта по обеспечению 2 млрд. людей энергией за 10 лет оценивается в 200-250 млрд. долларов. Для сравнения затраты этих 2 млрд. человек в собственную неэффективную и невозобновляемую энергетику: свечи, керосиновые лампы, печи на твердом и жидком топливе, бензиновые и дизельные электростанции составляют около 400-500 млрд. долларов за 10 лет [4]. Лидеры большой восьмерки заявили на Саммите в Генуе в июле 2001 года: Мы будем предусматривать развитие ВИЭ в наших национальных планах и поддерживать исследования и инвестиции в но вые технологии.
Целью работы является определение существенных факторов и технологий, оп ределяющих направления и перспективы развития мировой солнечной энергетики и её роль в энергетике будущего. Роль солнечной энергии в энергетике будущего определя ется возможностями разработки и использования новых физических принципов, техно логий, материалов и конструкций для создания конкурентоспособных СЭС.
Мы сформировали следующие критерии конкурентоспособности солнечной и топливной энергетики.
- КПД солнечных электростанций не менее 20 %.
- Годовое число часов использования мощности солнечной энергосистемы должно быть равно 8 760 часов. Это означает, что Солнечная энергетическая система должна генерировать электроэнергию 24 часа в сутки 12 месяцев в году.
- Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет.
- Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электро станции не должна превышать 1000 долл. США.
- Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать один млн. тонн в год при цене не более 12 долл. США/кт.
- Материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и безопасными.
Рассмотрим, в какой степени современные цели и направления развития солнеч ной фотоэлектрической энергетики отвечают вышеуказанным критериям.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Максимальный достигнутый в лаборатории КПД солнечных элементов (СЭ) на основе каскадных гетероструктур составляет 36,9 % (фирма Спектролаб, США), для СЭ из кремния 24%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные элементы с КПД 14 -17%. Sun Power Согр. США начала в 2003 г. производство солнеч ных элементов из кремния размером 125 х 125 мм с КПД 20%.
Новые технологии и материалы позволят в ближайшие пять лет увеличить КПД СЭ на основе каскадных гетероструктур в лаборатории до 40%, в производстве до 26-30%, КПД СЭ из кремния в лаборатории до 28%, в промышленности до 22%.
Разрабатывается новое поколение СЭ с предельным КПД до 93%, использующее новые физические принципы, материалы и структуры. Основные усилия направлены на более полное использование всего спектра солнечного излучения и полной энергии фо тонов по принципу: каждый фотон должен поглощаться в полупроводнике с запрещен ной зоной, ширина которой соответствует энергии этого фотона. Это позволит на 47% снизить потери в СЭ. Для этого разрабатываются:
- каскадные СЭ из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны;
- солнечные элементы с переменной шириной запрещенной зоны;
- солнечные элементы с примесными энергетическими уровнями в запрещен ной зоне.
Другие подходы к повышению КПД СЭ связаны с использованием концентри рованного солнечного излучения, созданием полимерных СЭ, а также наноструктур на основе кремния и фуллеренов. Предлагается использовать принципы микроволнового преобразования энергии (резонатор - волновод - выпрямитель) для преобразования солнечной энергии [2].
ПОВЫШЕНИЕ ЧИСЛА ЧАСОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ СЭС Число часов использования установленной мощности в год составляет для тепло вых электростанций в среднем 5200 ч, для ГЭС 1000 - 4800 ч. Для ВЭС 3000 ч., для СЭС 1000 - 2500 ч. [5].
Стационарная солнечная электростанция с КПД 20 %пиковой мощностью 1 кВт вырабатывает за год в центральной России и в Германии 2000 кВтч, в пустыне Сахара до 3500 кВтч. При слежении за Солнцем производство электроэнергии при тех же ус ловиях возрастет в России до 2800 кВтч/кВт, в Сахаре до 5000 кВтч/кВт. Зависимость вырабатываемой энергии СЭС от времени суток и погодных условий является ахилле совой пятой СЭС в конкуренции с электростанциями на ископаемом топливе. Поэтому до настоящего времени в крупномасштабных проектах и прогнозах развития солнечной энергетики предусматривалось аккумулирование солнечной энергии путем электролиза воды и накопления водорода.
Мы провели компьютерное моделирование параметров глобальной солнечной энергетической системы, состоящей из трех СЭС, установленных в Австралии, Африке и Латинской Америке, соединенных линией электропередач с малыми потерями (рис. 1). При моделировании использовались данные по солнечной радиации за весь период наблюдений. КПД СЭС принимался равным 20%. На рис. 2 представлен график производства электроэнергии в глобальной солнечной энергосистеме. СЭС генерирует электроэнергию круглосуточно и равномерно в течении года. Размеры каждой из трех СЭС составляют 210 х 210 км, электрическая мощность 2,5 ТВт [6].
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 1. Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных элек тростанций Рис. 2. Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой В связи с развитием объединенных энергосистем в Европе, Северной и Южной Америке и предложениями по созданию глобальной солнечной энергосистемы появи лись задачи по созданию устройств для передачи тераваттных трансконтинентальных потоков электрической энергии. В конкуренцию между системами передачи на пере менном и постоянном токе может вступить третий метод: резонансный волноводный метод передачи электрической энергии на повышенной частоте, впервые предложенной Н.Тесла в 1897 г [7].
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Резонансная система передачи электрической энергии состоит из двух резонанс ных высокочастотных трансформаторов Тесла 2 и 4, соединенных однопроводниковой высоковольтной линией 3 (рис. 3).
0,5 - 50 кГц ~50 Гц ~50 Гц 1 2 3 4 Рис. 3. Резонансная система передачи электрической энергии С использованием модифицированных трансформаторов Тесла мы разработали резонансную систему (РС) передачи электрической энергии электрической мощностью 20 кВт длиной 1,7 км. Результаты испытаний РС представлены в табл. 1. КПД РС при пе редаваемой мощности 20 кВт составил 85%, при мощности 1 кВт - 95 %. Основным ис точником потерь являются потери в преобразователях частоты 1 и 5 и контурах на входе и выходе РС, которые могут быть снижены до 5 - 7%. Джоулевы потери и потери на из лучение в однопроводниковом волноводе незначительны.
Таблица Результаты испытаний резонансной системы передачи электрической мощностью 20 кВт Электрическая мощность на на- 20,52 кВт грузке 54 А Tок 380 В Напряжение Напряжение линии 6,8 кВ Частота линии 3,4 кГц Длина линии 6 м 1,7 км Диаметр провода линии 0,08 мм 1 мм Максимальная эффективная плот ность тока на единицу площади 600 А/мм поперечного сечения проводника линии Максимальная удельная электри ческая мощность в однопроводии- 4 МВт/мм ковой линии На рис. 4 показана РС с питанием от СЭС мощностью 100 Вт, а на рис. 5 испы тание РС с использованием водопроводной воды в качестве однопроводникового вол новода для электроснабжения макета электрического судна в бассейне [10].
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Рис. 4. Резонансная система передачи электрической энергии по однопроводни ковому волноводу от солнечной электростанции мощностью 100 Вт Рис. 5. Схема передачи электрической энергии на водный транспорт с использованием водного проводящего канала и испытания макета электрического речного судна в лаборатории ВИЭСХ с использованием водопроводной воды в качестве однопроводного волновода. Передающий блок имеет электрическую мощность 100 Вт, напряжение 1 кВ ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Срок службы ТЭС и АЭС составляет 30 - 40 лет. Срок службы полупроводнико вых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с атомами и электронами не приводит к деградации кристаллической структуры и изменению скорости поверхно стной и объемной рекомбинации не основных носителей заряда. Однако солнечные модули (СМ) имеют сроки службы 20 лет в тропическом климате и 25 лет в умеренном климате из-за старения полимерных материалов - этиленвинилацета и тедлара, которые используются для герметизации СЭ в модуле. Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции модуля полимерные материалы. В новой кон струкции солнечного модуля СЭ помещены в стеклопакет их двух листов стекла, со единенных по торцам пайкой или сваркой. Технология герметизации торцев гарантиру ет герметичность модуля в течении 50 лет. Для снижения температуры СЭ и оптиче ских потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жидкостью (рис. 6, 7) [9].
Рис. 6 Солнечный фотоэлектрический модуль, изготовленный по технологии бесполимерной герметизации. Размеры 450 х 970 мм Электрическая мощность 50 Вт, напряжение 12 В Рис. 7. Солнечный двусторонний фотоэлектрический приемник для стационар ного концентратора. Размеры 2м. х 0,12 м. Ожидаемый срок службы 40 лет.
Новая бесполимерная технология сборки солнечного модуля была использована для создания эффективной вакуумной прозрачной теплоизоляции (ВПТИ). Солнечные элементы и кремнийорганическая жидкость между стеклами заменены на вакуумный зазор 50 мкм. [10]. В табл. 2 представлены теплоизолирующие характеристики ВПТИ.
При наличии ИК - покрытия на внутренней поверхности стекол сопротивление тепло ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
передачи может быть увеличено в 10 раз по сравнению с одинарным остеклением зда ний. Солнечные установки с вакуумным остеклением будут нагревать воду не до 60, а до 90С, т.е. из установок для горячего водоснабжения переходят в новый тип устано вок для отопления зданий. В теплицах и зимних садах потери энергии уменьшаются на 50 %. Облицовка южных фасадов зданий плитами вакуумной прозрачной теплоизоля цией с селективным покрытием превращает здание в гигантский солнечный коллектор и эквивалентно увеличению толщины стен на 1 метр кирпичной кладки при толщине ВПТИ 12 мм.
Особенно эффективно использование ВПТИ в южных районах РФ и в республи ках Бурятия, Якутия, где в условиях зимнего антициклона при температуре воздуха -30С температура селективного покрытия при толщине ВПТИ 10 мм составляет +30С.
Использование ВПТИ в летние месяцы позволит на 50% снизить затраты на кондицио нирование зданий.
Таблица Сопротивление теплопередачи прозрачных ограждений зданий теплиц и солнечных установок Сопротивление Наименование Толщина теплопередачи м2ХС/Вт Один лист стекла 6 0, Два листа стекла с зазором 16 мм 30 0, Вакуумный стеклопакет 6 0, Вакуумный стеклопакет с ИК - 6 0, покрытием на одном стекле Вакуумный стеклопакет с ИК - 6 1, покрытием на двух стеклах Двойной вакуумный стеклопакет с ИК - покрытием на двух стек- 12 2, лах Кирпичная стена 2,5 кирпича 300 1, СНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Стоимость установленного киловатта мощности составляет, долл. США/кВт:
ГЭС 1000 - 2500, ТЭС 800 - 1400, ВЭС 800 - 3000, АЭС 2000 - 3000 [7].
Основными компонентами современных СЭС, определяющем их стоимость яв ляется солнечный модуль изготавливаемый из СЭ на основе кремния. Стоимость СМ составляет сейчас 3500 - 4000 долл. США/кВт при объеме производства 1 ГВт/год, стоимость СЭС 6000 - 8000 долл. США/кВт, стоимость СЭС 1000 долл. США/кВт про гнозируется достигнуть в 2020 г [2].
Основные пути снижения стоимости СЭС: повышение КПД СЭС, увеличение размеров СМ и объема производства, снижение стоимости солнечного кремния, сниже ние расхода солнечного кремния на единицу мощности СЭС, комбинированное произ водство электроэнергии и теплоты на СЭС.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Максимальный размер солнечного модуля ограничен размерами стекла и со ставляет сейчас 2,5 х 3 м. при электрической мощности 1 кВт. Объем производства СМ растет на 30% в год, а их стоимость снизилась с 1976 года в 10 раз.
В России разработана бесхлорная технология производства солнечного поли кремния со стоимостью 15 долл. США/кВт, что в два раза ниже, чем стоимость поли кремния на европейском рынке (табл. 3) [11]. Сроки создания производства солнечного поликремния объемом 1000 - 5000 т в год по новой технологии 2008 - 2010 гг.
Таблица Бесхлорная технология производства поликристаллического кремния Исходные компоненты: этанол и металлургический кремний Si + 3 C2H5OH SiH (OC2H5) 4SiH (OC2H5)3 SiH4 + 3 Si(OC2H5) SiH4 Si + 2H В результате реализации технологии:
Х Стоимость поликристаллического кремния снижается в 2 раза до 15 долл. США/кг Х Чистота и качество кремния увеличивается в 10 раз до 99,999% Х Производство становится экологически безопасным В новой технологии в качестве исходных материалов используются вместо со ляной кислоты этиловый спирт и металлургический кремний, а в качестве промежу точных компонентов процесса - триэтоксисилан и моносилан. Снижение стоимости происходит благодаря снижению температуры процесса и затрат энергии. При этом значительно улучшаются экологические характеристики производства и увеличивается качество кремния в такой степени, что его можно использовать в электронной про мышленности.
Наиболее быстрый путь снижения стоимости и достижения гегаватного уроня производства СЭС заключается в использовании концентраторов солнечного излуче ния. Стоимость 1 м2 площади стеклянного зеркального концентратора в 10 раз меньше стоимости 1 м2 площади СМ. В России разработаны стационарные концентраторы с коэффициентом концентрации 3.5 - 10 с угловой апертурой 480, позволяющие в преде лах апертурного угла концентрировать прямую и рассеянную компоненту солнечной радиации (рис. 8 - 10) [12]. Использование солнечного поликремния низкой стоимости и стационарных концентраторов позволяет сократить сроки достижения стоимости 1000 долл. США/кВт с 2020 до 2015 гг.
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
б) 10 м Фотоприемник б) а) Рис. 8. Оптическая схема симметричного стационарного солнечного концентра тора с концентрацией 3 (а) и концентрацией 10 (б) Рис. 9. Солнечная электростанция с параболоцилиндрическими стационарными концентраторами пиковой мощностью 1 кВт ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Рис. 10. Солнечный фасад с вертикальным асимметричным солнечным модулем с углом раскрытия 360 (1-стеклянное покрытие;
2- отражатель;
3-апертурный угол;
4- двухсторонний приемник;
5 - южный фасад здания), а также фотография экспери ментального модуля Солнечные электростанции могут обеспечить производственные и жилые объек ты электрической энергией, горячей водой и теплом. Коэффициент использования энергии Солнца составляет 50-60% при электрическом кпд 10-15%. Использование ста ционарных концентраторов позволяет увеличить температуру теплоносителя до 90 и снизить стоимость СЭС до 1000 долл. США/кВт. На основе концентраторных модулей разрабатываются солнечные микро-ТЭЦ для многоквартирных и односемейных домов и промышленных зданий, а также центральные стационарные солнечные электростан ции для городов, поселков, сельскохозяйственных и промышленных предприятий.
Повышение эффективности СЭС приводит к снижению затрат энергии и мате риалов на производство единицы мощности СЭС, размеров и стоимости земельного участка под строительство СЭС. На рис. 11 представлена зависимость стоимости изго товления киловатта установленной мощности солнечных модулей со стационарными концентраторами от КПД. При КПД 20% стоимость производства становится значи тельно меньше 1000 долл. США/кВт.
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 КПД фотоприемника, % Концентрация 5 Концентрация Концентрация Рис.11. Стоимость стационарного параболоцилиндрического концентрирующего мо дуля мощностью 1 кВт, с апертурным углом 36 для северных широт.
УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМА ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СЭС При современном объеме производства СЭС 1ГВт/год солнечные модули из кремния составляют более 85% объема производства. По нашим прогнозам, солнечный кремний и в дальнейшем будет доминировать в фотоэлектрической промышленности, исходя из принципа: структура потребления ресурсов в долговременной перспективе стремится к структуре их имеющихся запасов на Земле [13]. Земная кора состоит на 29,5 % из кремния, который занимает второе место по запасам после кислорода.
При объеме производства 100 ГВт в год и расходе солнечного кремния 10 т/ГВт мировое потребление кремния составит 1 млн. тонн в год. Кроме рассмотренной ранее бесхлорной химической технологии получения кремния разрабатываются элек трофизические методы восстановления солнечного кремния из особо чистых кварцитов с помощью плазматронов. Развиваются новые технологии получения кремния в виде тонких листов, лент, пленок с лазерным раскроем и автоматизацией процесса изготов ления СЭ.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОИЗВОДСТВА СЭС Человечеству не грозит энергетический кризис, связанный с истощением запасов нефти, газа, угля, если оно освоит технологии использования солнечной энергии. В этом случае будут также решены проблемы загрязнения среды обитания выбросами электростанций и транспорта, обеспечения качественными продуктами питания, полу чения образования, медицинской помощи, увеличения продолжительности и качества жизни. СЭС создают новые рабочие места, улучшают качество жизни и повышают С то и м о с ть с о л н е чн о го м о д ул я, д о л л. С Ш А /кВ т ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
энергетическую безопасность и независимость владельцев СЭС за счет бестопливного и распределенного производства энергии.
СЭС могут производить экологически чистую энергию в течение миллионов лет, они бесшумны, не потребляют топлива, работают в автоматическом режиме и затраты на их обслуживание такие же незначительные, как на обслуживание электрических трансформаторных подстанций [13].
При использовании СЭС органически сочетаются природные ландшафты и сре да обитания с энергетическими установками. СЭС образуют пространственно архитектурные композиции, которые являются солнечными фасадами или солнечными крышами зданий, ферм, торговых центров, складов, крытых автостоянок.
Разрабатываются технологические процессы производства компонентов СЭС, в которых экологически неприемлемые химические процессы травления и переработки заменяются на вакуумные, плазмохимические, электронно-лучевые и лазерные процес сы. Серьезное внимание уделяется утилизации отходов производства, а также перера ботки компонентов СЭС после окончания срока службы [14].
На рис. 12 показано изменение доли солнечной энергетики в мировом энергопо треблении. До 17 века солнечная энергия и энергия сжигания древесины, в которой солнечная энергия аккумулируется благодаря фотосинтезу, были единственными ис точниками энергии для человека. И сейчас 20% мирового производства энергии осно вывается на сжигании древесины, энергии рек и ветровой энергии, основой которых является солнечная энергия. Новые принципы преобразования солнечной энергии, но вые технологии солнечного кремния, производства солнечных элементов, герметиза ции солнечных модулей, использование стационарных солнечных концентраторов и новых методов передачи электрической энергии для глобальной солнечной энергосис темы обеспечат к концу столетия 60 -90% долю солнечной энергии в будущем произ водстве энергии.
% 1700 1800 1900 2000 2100 Годы Рис. 12. Доля солнечной энергии в мировом производстве энергии ВЫВОДЫ 1. Существенными факторами, определяющими направления и перспективы развития солнечной энергетики являются:
Х Обеспечение возможности круглосуточного и круглогодичного преобразова ния и использования солнечной энергии Х КПД СЭС не менее 20%.
Х Увеличение срока службы СЭС до 50 лет.
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Х Снижение стоимости пиковой мощности СЭС до величины, не превышаю щей 1000 долл. США/кВт.
Х В случае использования солнечного поликремния в качестве исходного по лупроводникового материала СЭС его стоимость не должна превышать 15 долл. США/кг, при объеме производства не менее 1 млн. тонн в год на 100 ГВт СЭС.
Х Материалы и технологии СЭС должны быть экологически чистыми и безо пасными.
2. Новые технологии позволяют достигнуть показателей развития солнечной энергетики указанных в п. 1,2 - 1,6 в 2015 г., по п. 1.1 в 2100 г.
3. Реализация факторов развития и новых технологий приведет к увеличению роли солнечной энергии в энергетике будущего до 60 - 70%, в электроэнергетике до 80Ц90%. СЭС в течение миллионов лет будут обеспечивать каждого жителя Земли электричеством, теплом и топливом. Антропогенные выбросы энергетических устано вок будут снижены до приемлемого для экологии Земли уровня.
ЛИТЕРАТУРА 1. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика в третьем тысячелетии //Энергетическая политика. - 2001. - №2. - С.23 - 27.
2. Stefan Novak. Photovoltaic in the world. Status and Future Trends. Chairman IEA PVPS. Seminar in PV Research & Technological Development in European Union New Member and Candidate States. Warsaw, Poland 15 Nov. 2004.
3. Bezrukikh P.P., Strebkov D.S. et al. 2001 G8 Renewable Energy Task Force Chairmen Сs Report 61pp. Chaimen Report Annexes 75 pp. Printed by the Italian Ministry of Environment, 2001.
4. Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: для развивающихся стран или для России. Энергия: экономика, техника, экология. - Изд. РАН, 2002. - № 9. - С 11-14.
5. Кашфразиев Ю.А. Ветроэнергетические установки в России - роскошь или источник энергии? Энергия: экономика, техника, экология. - Изд. РАН. - 2004. - № 10. - С. 34 - 39.
6. Strebkov D.S., Irodionov A.E. Global solar power system. Eurosun - 2004, Freiburg, Germany. 14 Intern. Sonnenforum 2004, Vol. 2 p. 336 - 7. N. Tecla. Electrical Transformer. US Pat. # 593138, 02.11. 8. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. - М.: Изд. РАСХН, 2004. - 185 с.
9. Стребков Д.С., Безруких П.П. Новые экологически чистые энергетические технологии. Всероссийский энергетический форум ТЭК России в 21 веке. Актуальные вопросы Стратегические ориентиры. 18 - 19 декабря 2002 г.: Сборник докладов М., 2002. - С. 95 -98.
10. Стребков Д.С., Заддэ В.В., Шеповалова О.В. Вакуумные стеклопакеты для окон и солнечных коллекторов. Возобновляемая энергетика, март 2004. - С. 12.
11. Strebkov D.S., Zadde V.V., Pinov A.B., Touyryan K., Murphy L. Crystalline Sili con Technology in CIS countries. 11-th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cell Materials and Process. Colorado, August 19-22, 2001, Extended abstracts and papers, NREL, 2001, p. 199-207.
12. Strebkov D.S., Litvinov P.P., Tverianovich E.V. Research of functioning of a>
Sonnenforum, Vol. 2 p. 3-072 - 3-078.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
13. Strebkov D.S., Koshkin N.L. On development of Photovoltaic Power Engineering in Russia Thermal Engineering, 1996, vol. 43, # 5, p. 381-384.
14. Tsuo Y.S. Touyryan K., Gee J.M., Strebkov D.S, Pinov A.B., Zadde V.V. Envi ronmentally Benign Silicon Solar Cell Manufacturing. 2-nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion. 6 - 10 July 1998, Hofburg Kongresszentrum, Vi enna, Austria, p. 1199-1204.
Получено 26.01.2005.
D. S. Strebkov, academican of Russian Academy of Agricultural Sciences, professor All-Russia Research Institute for Electrification of Agriculture, Moscow, Russia SOLAR ENERGY: THE STATUS AND FUTURE DEVELOPMENT Summary Essential factors, new materials and technologies determining the development trends and the role of solar energy in future energy generation are considered. The key factors in clude 20% solar energy conversion efficiency, 50 years operating time of a solar power sys tem, 1000 USD/kWp cost of installed capacity, availability of low-cost materials and ecologi cal safety of production and operation, the possibility of 24 hours a day solar electricity gen eration. New physical principles of solar energy conversion, new technologies of solar grade silicon, solar cells manufacturing and solar modules encapsulation, use of stationary solar concentrators and new methods of electric power transmission for solar- based global power system will provide by the end of this century 60 to 90% share of solar energy in future global energy generation.
А. Шептыцки, д-р с.-х. наук, доцент ИБМЭР, Варшава, Польша ЗНАЧЕНИЕ ТЕХНИКИ В СИСТЕМЕ УСТОЙЧИВОГО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА Устойчивое растениеводство предусматривает производство в котором повыше ние урожайности и экономическая эффективность получаются с учетом охраны при родных ресурсов. При такой постановке вопроса внедрение новой техники должно учи тывать экологические факторы, качество сельскохозяйственных продуктов, эргономи ческие и социальные факторы. При этом совершенствование производственного процесса должно быть экономически эффективным т.е. увеличение стоимости полу чаемых продуктов должно покрывать увеличение затрат на внедрение прогресса.
ВВЕДЕНИЕ На протяжении многих лет, целью сельскохозяйственного производства было достижение максимальных урожаев при самых возможно высоких производительно стях сельскохозяйственных машин. Пришло, наконец, время исправления допущенных ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
ошибок и появилось понятие: устойчивое сельскохозяйственное производство, которое характеризуется:
- рациональным хозяйствованием природных ресурсов таким образом, чтобы сохранить их способность самовосстановления;
- внедрением современных технологий повышающих урожайность и объём продукции и одновременно учитывающих охрану природных ресурсов таким образом, чтобы их состояние не ухудшилось для будущих поколений;
- учётом и сочетанием между собой аспектов экологических, экономических и общественных.
Разумеется, что устойчивое сельское хозяйство должно быть системой динами ческой, эластично приспосабливающейся к постоянным изменениям общественных и внешних нужд всей общественно-хозяйственной системы. Это требует постоянных контактов и сотрудничества в сфере производства и науки, создания консультационных служб для обучения. Благодаря такому сотрудничеству повышается экологическое сознание сельских товаропроизводителей и увеличивается ответственность их деятель ности для будущих поколений.
ТЕХНИЧЕСИЙ ПРОГРЕСС В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Целью сельскохозяйственной техники, в частности, механизации и энергетики является задача о замещении живого труда трудом технических средств производства.
Эти средства должны быть внедрены в систему сельскохозяйственного производства и использованы таким образом,чтобы выполнение технологических процессов и получе ние продукции соответствовали принципам устойчивого сельского хозяйства и не вы зывали отрицательного воздействия на окружающую среду и здоровье человека. С дру гой стороны они должны обеспечивать экономическую рентабельность производства.
Технические средства сами по себе не увеличивают ни урожайности культур ни продуктивности животных. Однако, умело применяемые они должны создавать усло вия для полного использования биологических возможностей живых организмов и эф фективной отдачи химических средств и удобрений. В системах различных направле ний сельскохозяйственного производства технические средства исполняют обслужи вающую роль и технический прогресс с ней связанный является лишь одним из составляющих элементов общего научно - технического прогресса способствующего развитию сельского хозяйства.
Экономические эффекты в сельском хозяйстве зависят от многих категорий про гресса, например: биологического, химического и технического из которых инженер ный прогресс, например, механизации составляет лишь фрагмент. При этом необходи мо обратить внимание, что технический и механизированный процессы реализованы не только путем конструкторских разработок, через проектирование и выпуск все более современных машин и оборудования, но также и эксплуатации, путем лучшего, более профессионального и эффективного, использования находящейся на рынке новой тех ники.
Однако существует взаимодействие (обратная связь) в котором прогресс в сель скохозяйственной технике вызывает с другой стороны прогресс биологический. Здесь можно привести следующие примеры.
- Доработка точечных сеялок для высева семян сахарной свеклы влечет за со бой выращивание сортов, дающих одноростковые семена с мощностью прорастания свыше 95%;
разработку оболочек для этих семян, включающих пестициды, стартовые дозы удобрений.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
- Механическая уборка помидоров на полевых плантациях вызвала выращива ние сортов, у которых свыше 75% овощей дозревает одновременно, что обусловливает ликвидацию плантации одновременно с уборкой.
- Разработка доильных роботов вызвала действия, направленные на выращи вание и откорм крупного рогатого скота с длинными ногами, таким образом, чтобы плечо робота, оснащенного доильными стаканами, свободно помещалось под выменем коровы.
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН И ВЛИЯНИЕ ЭТИХ УСЛОВИЙ НА КОНСТРУКЦИЮ Машины и сельскохозяйственные орудия, а также выполняемые ими технологи ческие процессы отличаются от технических средств других отраслей тем, что свойства их рабочей среды и обрабатываемый материал подвергаются быстрым изменениям в очень широком диапазоне. Эта изменчивость имеет случайный характер, часто неожи данный, и вызывает огромные трудности у конструкторов. На протяжении длительно го периода развития сельскохозяйственной техники специалисты пытались конструи ровать и выпускать машины и оборудование от которых ожидались работы хорошего качества, большая надежность функционирования в широком диапазоне переменных природных условий, т.е. практически в любых условиях.
В настоящее время эта тенденция изменилась: выпускаются в основном машины со значительным количеством дополнительных приспособлений и вариантных реше ний, позволяющие подобрать машину для необходимых требований пользователя. Та ким образом, в некотором смысле, ограничены пределы изменчивости условий к кото рым приспособлена машина и тем самым улучшено качество выполняемой работы а также качество производимых сельскохозяйственных продуктов.
Примером может быть погрузочный картофелекопатель, выпускаемый одной из германских фирм в качестве основной машины с 10-ю вариантами систем транспорте ров и других сепарирующих устройств, для выбора по желанию покупателя.
Необходимо обратить внимание на огромную роль добросовестной технической консультации уделяемой сельским товаропроизводителям. Подбор соответствующего варианта машины, оптимального для покупателя это очень важная задача, потому что допущенная ошибка в будущем будет сказываться многие годы, а расходованные день ги на покупку не будут работать на благо сельскохозяйственного предприятия и повы шения его эффективности.
Характерной чертой значительной части сельскохозяйственных машин особенно применяемых в полевом производстве является их сезонность использования. Эти ма шины работают от нескольких дней до нескольких недель в течение года. С целью по лучения самого высокого качества работы например обработки почвы или сбора сель скохозяйственных продуктов, период работы машин ещё сокращается до периода оп тимальных погодных условий или оптимальной зрелости урожая. В таких условиях ожидается от сельскохозяйственных машин полной эксплуатационной надежности в короткий агротехнический период. Авария машины и ожидание ремонта может унич тожить весь труд земледельца, который он затратил в течение года, и вызвать огромные экономические потери. Отсюда стремление конструкторов и производителей машин к применению решений и материалов высокого качества, и создание дилерско-сервисных пунктов, предоставляющих услуги самого высокого качества.
Ещё недавно в комитетах государственной промышленности не обсуждались предложения по оснащению сельскохозяйственной техники современными надёжными ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
материалами, например, такими, как в военной промышленности. А ведь упомянутая, высокая готовность к работе в период сельскохозяйственной кампании немного отли чается по своей важности от требований в области надежности боевой техники.
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ТЕХНИКА В АСПЕКТЕ ЭКОЛОГИИ Рассматривая место сельскохозяйственной техники в системе производства сель скохозяйственной продукции, необходимо обратить внимание на то, что она, как никакая другая отрасль техники, воздействует непосредственно на живые организмы - почву, растения и животных, а также на окружающую среду, в том числе на воду и воздух.
К почве нужно относится, как к живому организму, который неумелыми, неот ветственными действиями легко можно уничтожить. Техника, к сожалению, создает ряд существенных угроз для почвы:
- агротехнические приемы, выполняемые во время большого переувлажнения почвы, уничтожают ее структуру, а при слишком низких температурах ограничивают деятельность почвенных микроорганизмов;
- увеличение числа проходов сельскохозяйственной техники вызывает уплот нение почвы, особенно сильно при этом страдает верхний пахотный слой, где наступа ет чрезмерное уплотнение. Рост плотности ведёт к уменьшению пористости;
- перегрузка транспортных средств и применение более тяжелых тракторов и сельскохозяйственных машин вызывает уплотнение более глубоких слоев почвы, осо бенно при переувлажненном поверхностном слое, когда почти полностью теряется спо собность переноса нагрузок;
- слишком интенсивное воздействие орудий, особенно машин для обработки почвы, вызывает распыление почвы и уничтожение ей комковатой структуры.
Почва обладает большой способностью самовосстановления структуры в резуль тате действия различных факторов;
биологических, химических и физических. Однако процессы восстановления не протекают быстро, а в некоторых условиях вообще не воз никают. Например, уплотнение глубоких слоев подпахотного слоя, ниже зоны промерза ния может оказаться устойчивым, потому что восстановление структуры, после уплотне ния, происходит вследствие переменного замерзания и оттаивания, а также увлажнения и высыхания, а эти процессы на такой глубине не происходят.
Какую угрозу создают химические средства и удобрения общеизвестно, поэтому этот вопрос в статье не обсуждается.
Очень чёткое влияние техники на живые организмы заметно в животноводстве.
В течение многих лет ведутся исследования и наблюдения за реакциями животных на применяемые технические решения. Современная техника сигналов позволяет наблю дать поведение животных и подобрать, например, параметры стойла, габариты и форму клеток для свиноматок с поросятами и т.п., чтобы создать им наилучшие условия пре бывания Жесткие правила Европейского Союза и согласованные с ними национальные требования позволяют разработать так называемый кодекс практик, а также стандарты содержания всех основных пород хозяйственных животных. Идея упомянутых правил и рекомендаций заключается в создании животным более комфортных условий пребы вания. Конечно, это дорого обходится, но если можно так сказать "счастливые" живот ные отплачивают значительно большей продуктивностью, следовательно, приносят бо лее высокие доходы.
ТЕХНИКА И КАЧЕСТВО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
В сельском хозяйстве, как и в каждой другой области производственной дея тельности человека, целью является продажа продуктов по возможно самой большой цене. Современный рынок, особенно рынок ЕС, принимает и акцептирует товары вы сокого качества и всё чаще требует доказательства этого качества путем создания усло вий возможности проследить весь производственный процесс. Вводят так называемые процедуры ВАТ (самые лучшие доступные технологии) и НССР (анализ риска путем контроля критических точек), без которых обеспечение высокого качества сельскохо зяйственных продуктов как ключевого фактора в борьбе за потребителя на рынке будет невозможно. Сельскохозяйственная техника в сочетании с современной информатикой играет в этой части системы сельскохозяйственного производства существенную роль.
Плохо подобранные, несоответственным образом эксплуатационные машины и другие технические средства не в состоянии обеспечить хорошее качество сельскохозяйствен ных продуктов, а следовательно, достойную конкуренцию.
ЧЕЛОВЕК И СРЕДА РАБОТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН В современной системе сельскохозяйственного производства придается сущест венное значение среде, в которой приходится работать человеку. Многочисленные пра вовые регулировки по эргономии и безопасности труда с сельскохозяйственными ма шинами повлияли, в большой степени, на повышение комфорта рабочего места опера тора в новом поколении машин и тракторов. Кабина водителя современного трактора или самоходной машины предохраняет его от влияния пыли и атмосферных условий, от колебаний и ушибов в случае переворота трактора и т.п. Высокий уровень приме няемой электронизации и автоматизации трактора и совместно работающей с ним ма шины освобождает оператора в значительной степени от физического труда и психиче ского давления связанного с вождением агрегата, наблюдением за работой рабочих уз лов машины, регулировкой этих узлов, а также удержанием направления по заданному пути езды. Первые образцы самоходных машин (без обслуживающего персонала) уже показывают на выставках. Думаю, что полное замещение человека, в крайнем случае, в некоторых видах полевых работ - это вопрос недолгого времени.
Уровень знаний, а это связано с возможной угрозой для здоровья операторов создаваемых и существующих сельскохозяйственных машин, является недостаточным среди потребителей сельскохозяйственной техники, и поэтому требует постоянного обучения, начиная с начальной школы.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА Обсудив значение сельскохозяйственной техники в системе устойчивого сель скохозяйственного производства, наконец, стоит обратить внимание, что, несмотря на стремление к обеспечению экологического равновесия, решающим фактором будет экономическая эффективность введения технического прогресса. По-другому говоря, необходимо провести анализ расходования денежных средств на модернизацию техни ческого оборудования. Оценить в какой степени наступит возмещение затрат при полу чении более качественного продукта, увеличении производительности труда с мень шими материально энергетическими затратами.
Измеритель эффективности введения прогресса можно представить зависимостью:
Pc E = k ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
где (Pc) - прирост стоимости чистой продукции, (к) - прирост затрат введения новой машины.
Технический прогресс в сельском хозяйстве вызывает ограничение рабочей си лы, следовательно, повышает уровень замещения живого труда трудом в технических средствах производства. Таким образом удобным является показатель V pt = km где V V 2 V = - (Э / чел.ч) R2 R V1(Э) является стоимостью продукции до усовершенствования, V2(Э) - после усовершенствования, R1(чел.-ч) производительность перед усовершенствованием, R2 (чел.-ч) - после усовершенствования.
k k m2 m k = - (Э / чел.ч) m R2 R km1(Э) и km2(Э) -затраты ручного труда до и после усовершенствования.
Таким образом, определяемый показатель эффективности технического прогресса не зависит от стоимости рабочей силы на единицу продукции, а лишь от степени техни ческого вооружения работы, является универсальным и может служить для сравнения.
ВЫВОДЫ При внедрении современной техники в сельскохозяйственное производство не обходимо учитывать аспекты экологические, для того чтобы сохранить способность самовосстановления естественных ресурсов. Однако успех всех усовершенствований должен быть, прежде всего, экономически эффективный. Даже самые лучшие с точки зрения экологии решения невозможно внедрить, если они приносят материальные и денежные потери.
ЛИТЕРАТУРА 1. Мichaek R., Uwarunkowania technicznej rekonstrukcji rolnictwa. Wyd. Polskie Towarzystwo Inynierii Rolniczej, Krakw 1999.
2. Szeptycki A. Wjcicki Z. Postp Technologiczny i nakady energetyczne w rol nictwie do 2020 roku. Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, 3. Szeptycki A., Miejsce i rola techniki w systemie produkcji rolinnej. Wie jutra 2004, nr 8-9.
Получено 01.02.2005.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Aleksander Szeptycki, DSc, IBMER, Warsaw, Poland ROLE OF TECHNIQUE IN THE SYSTEM OF SUSTAINABLE AGRICULTURE Summary Sustainable plant production may be defined as the practice, in which the growth and economic effectiveness are reached without any harm to natural resources. And besides, spending for progress implementation must be covered by growth of the value of products.
Instead of maximization of yields and machine performance, in sustainable agriculture the use of natural resources is rationalized to sustain their ability to self-regeneration. Imple mented are only technologies, which give growth of production and protect nature resources to leave them non-deteriorated for generations to come. Besides, sustainable agriculture must focus on integrated ecological, economical and social aspects.
Agricultural machines and implements as such do not increase either crop yields or animal productivity. However, skillfully used they should create conditions, under which these biological organisms are able to demonstrate their full production abilities, and under which it is also possible to fully use the potential of applied fertilizers and chemicals. In other words, technical progress in agriculture is only one of the components of the whole progress, similarly like the progress in chemistry, biology and others.
It is worth mentioning that technical progress is realized not only by introduction of new, more modern machines, but also by better, more skillful and effective use of already possessed and also new machinery.
A positive feedback is also observed - the technical progress creates the need of pro gress in plant and animal biology, in agricultural chemistry, etc.
It should be noted that agricultural machines work under difficult conditions, which change rapidly, randomly and in a very broad range of parameters values. This involves new approaches to the designing of machines. To better adapt a machine to achieve high quality of operation under different conditions, instead of designing more or less universal ones, ma chines are now manufactured as a basic construction with many optional, specified versions, customized for various conditions of each particular user. This gives much more flexibility and adaptability of machines to the needs of any particular farmer.
Another specific feature of agricultural machines is usually short seasoning of work, which differs them from many other kinds of machinery, and which demands high reliability throughout the whole season. Any damage of the machine may annihilate physical and finan cial efforts of the farmer.
Considering the role of agricultural engineering in the agricultural production system it should be noted that this group of technical equipment contacts directly with living organ isms like animals, plants and soil, and often also influences the natural environment, i.e. water and air.
In the field production the most important is the influence of the technique on soil, itТs structure, density, permeability, etc., which in some cases may cause permanent, negative ef fect like compaction of deep layers of subsoil.
Visible is the reaction of animals on technical solutions implemented in this sector of agricultural production. EU Directives demand to introduce animal keeping standards, which would guarantee a certain level of welfare to all groups of animals.
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Introducing the technical progress one must also consider itТs economical effective ness. As the measure of this effectiveness the formula may be proposed:
V = k where V is the growth of product value as the result of modernization per unit of labor [USD/man-hour], k is the increase of costs of modernization per unit of labor [USD/man-hour].
This index is an abstract number, independent of the cost of unit of labor, and as such easy to be compared.
Summing up it should be stated that technical modernization of agriculture must be considered not only from the point of view of sustainability of production but besides, or may be even first of all, also must be economically effective.
Л.П. Кормановский, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф.
Научный руководитель МНТЦ ВИЭСХ Техника для молока, Москва НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИНЖЕНЕРИИ И ЭКОЛОГИИ В МОЛОЧНОМ ЖИВОТНОВОДСТВЕ В настоящее время проблема безопасности становится злободневной пред всем человечеством. В животноводстве особую тревогу вызывает проблема окружающей среды, а в молочном, в частности, - качество молочной продукции и здоровье живот ных.
Как положительный фактор можно отметить, что за последние годы в целом по России, растет надой молока на корову. За первые три года нового тысячелетия он вы рос на 700 кг и составил более трех тысяч в среднем на корову. По-прежнему право фланговой в этом выступает Ленинградская область. Здесь средний надой на корову достиг более 5000 кг, отдельные хозяйства надаивают по 7-8 тыс.кг молока на корову, добиваются высокого его качества.
К сожалению, в целом по России этот подъем остается незначительным, а сред няя продуктивность недостаточной и далеко не соответствующей генетическому по тенциалу животных. На недопустимо низком уровне находится качество молока.
Удельная доля проб молока, не отвечающая нормативам по микробиологическим пока зателям более 13%.
От качества молока в значительной мере зависит здоровье нации, особенно де тей. А для таких продуктов как детское питание, сыры, йогурты необходимо молоко высочайшего качества. Качество молока во многом зависит и от здоровья животных, их болезней маститами. Воспаление молочной железы регистрируется в среднем у 30% коров, а срок использования маточного поголовья составляет 3-4 года.
Все это, несомненно, во многом зависит от технического уровня применяемых машин и оборудования, его соответствия физиологическим требованиям животных.
Поэтому инженерная наука должна ставить перед собой целью разработку такой техники, которая бы не только механизировала труд, но и способствовала повышению продуктивности животных, полному использованию генетического потенциала продук тивности, сохранению их здоровья и удлинению хозяйственного срока службы маточ ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
ного поголовья. Технические средства или механические факторы должны благоприят но влиять или взаимодействовать с биологическими объектами. Это особенно касается животноводства. Если в растениеводстве техника взаимодействует с почвой, растения ми, т.е. с неодушевленными предметами, то в животноводстве технические средства взаимодействуют с живыми существами, с их самыми чувствительными органами - вымя животного, опорно-двигательный аппарат, органы пищеварения и т.д. Несовер шенство техники отрицательно влияет на здоровье животного - возникают гиподина мия, прохолосты, маститы, что сказывается на качестве продукции.
Самым трудоемким и ответственным в молочном животноводстве является про цесс доения. К сожалению, действующие ныне доильные установки с доением в пере носные ведра и в молокопровод не всегда удовлетворяют сегодняшним требованиям по повышению качества молока и обеспечению здоровья животных, то есть, требованиям биоресурсной инженерии.
Действующий стеклянный молокопровод, имеющий более двухсот стыков, очень трудно промыть, практически невозможно получить молоко высшего сорта, из-за малого диаметра труб трудно доить высокопродуктивное стадо, имеют место недопус тимые колебания вакуума, как в самом молокопроводе, так и под соском вымени.
Как показывают исследования ряда ученых, это вызывается: во-первых, пробко вым транспортированием молока в молокопроводе, зависящим от протяженности, ук лонов внутреннего диаметра молочных линий;
во вторых, колебаниями вакуума с мак симальной амплитудой, возникающими во время подключения и надевания доильных аппаратов;
в третьих - колебаниями, возникающими при подключении доильных аппа ратов на других ветвях молокопровода данного и соседнего помещений.
Всего этого можно избежать созданием молокопровода из цельной трубы боль шого диаметра из нержавеющей стали. Такая система устраняет перечисленные недос татки, она наиболее надежна в работе, легко промывается, долговечна и имеет хорошие предпосылки к распространению.
Кроме этого, необходимо применять более совершенные доильные аппараты: со щадящим режимом доения, с большим объемом коллектора, с устройством учета надо енного молока и автоматическим снятием доильных стаканов, что устраняет сухое дое ние и снижает заболевание животных маститами.
Следующее стратегическое направление - это перевод доения из стойловых по мещений в доильные залы при беспривязном содержании животных или содержании их на автоматических привязях. Здесь можно достичь более высокой производительности и обеспечить получение качественного молока. Такой переход более затратный. Но многие хозяйства именно так решают эти проблемы.
В настоящее время разработаны и производятся в России молокопроводы из не ржавеющей стали - лелочки на 24 скотоместа (2 12) и Параллель.
В повышении качества молока большое значение принадлежит охлаждению и холодильным установкам. Здесь, очевидно, надо использовать достижения, имеющиеся в других отраслях. Искать эффективные аккумуляторы холода, новые источники энер гии. Использовать естественный холод, разрабатывать новые тепло-холодильные уста новки. Вместе с этим очень важна модернизация имеющихся на фермах старых холо дильных установок. Это позволит значительно снизить инвестиционные затраты, в хо зяйствах и быстрее обеспечить их холодильной техникой.
Животноводческие фермы, к сожалению, являются значительным источником загрязнения окружающей среды. Только около половины производимого навоза вно сится в почву, а остальной - скапливается вокруг ферм. В настоящее время наукой и ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
практикой разработано большое количество технологий по переработке навоза. Это разделение на жидкую и твердую фракции, анаэробное сбраживание, производство вы сококонцентрированных органических удобрений типа Фермвей и другие.
Но при всем этом хотелось бы еще раз рекомендовать технологию переработки навоза, применяемую в хозяйстве Красногвардейский Ленинградской области с при менением в качестве подстилки измельченной соломы. Здесь вся солома закатывается в рулоны и хранится в скирдах. По мере потребности с помощью мобильного навесного измельчителя рулоны и солома измельчается и выносится в стойла. Прямо в стойловом помещении создается смесь навоза с измельченной соломой, пригодная для компости рования. Одновременно в помещении создается здоровый микроклимат. Полученный компост вывозится на поля. Не случайно в этом хозяйстве получают высокий урожай кормовых и зерновых и других культур, а также высокие надои, более 7000 кг на коро ву, и качественное молоко.
Большое влияние на экологию и загрязнение окружающей воздушной среды оказывает неблагоприятный микроклимат внутри животноводческих помещений и вен тиляционные вопросы, особенно на свинокомплексах и птицефабриках. Плохой микро климат отрицательно влияет и на самих животных, и на обслуживающий персонал. До казано, что молочная продуктивность уменьшается на 10-15 %, а грязное и сырое лого во приводит к снижению продуктивности до 25-35% и увеличению расхода кормов на 20-33 %, резко возрастает заболеваемость коров маститами.
Применение укороченных стойл, шнековых навозоуборчных транспартеров с решетками над навозными каналами обеспечивает сокращение затрат труд на очистку стойл в 2-3 раза, повышение производительности труда доярок на 20-40 % и благопри ятный микроклимат в помещении. За последнее годы животноводы на практике убеди лись, что строительство коровников с достаточной кубатурой и вентиляционными ка налами по коньку кровли также обеспечивает благоприятный микроклимат. В помеще ниях старой конструкции необходимы тепловентиляционные установки с очисткой вентиляционных выбросов.
Определенное влияние на здоровье животных и качество продукции оказывает правильное кормление поголовья. Одной из важных составляющих здесь является ме ханизация кормоприготовления и нормированной раздачи кормов. В настоящее время получает распространение в передовых хозяйствах каждого региона, приготовление полнорационных кормосмесей и нормированное кормление групп животных, сформи рованных по продуктивности. Самое главное здесь - это многофункциональное техни ческое средство, выполняющее одновременно пять операций - погрузчик, измельчи тель, смеситель, раздатчик кормосмесей в одном агрегате - Кормоцех на колесах с электронным взвешиванием компонентов по заданной программе для различных по продуктивности групп животных. Такие агрегаты разработаны агроинженерной наукой, институтами: ВНИПТИМЭСХ - г. Зеленоград, СКНИЖ - г. Краснодар и другими, на чинается их выпуск. Применение полнорационных кормосмесей на 15-20% повышает продуктивность животных, а по сравнению с КОРК-15 в разы снижает совокупные энергозатраты, на одну треть - затраты тяжелого ручного труда, на 70 % - капитало вложения и обеспечивает практически полную поедаемость кормов, за счет исключе ния выборочного поедания животными наиболее аппетитных компонентов.
Одним из решающих условий эффективности животноводства и применения сложных электронных средств управления технологическими процессами является ка чество комбикормов, их точная наполняемость всеми необходимыми составляющими компонентами.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Зоотехнической наукой рекомендуется свыше 40 компонентов, включаемых в комбикорма. Для обеспечения точного кормления только основных видов животных, в каждом хозяйстве надо приготавливать десятки видов комбикормов.
В этих условиях развитие и совершенствование точного комбикормового произ водства внутри хозяйств становится ключевым фактором стабилизации и повышения эффективности животноводства. Для производства полноценных комбикормов в хозяй ствах необходим соответствующий комплекс точных технологий и технических средств с электронным управлением.
С удовлетворением можно отметить, что институтами за последние годы разра ботано более 50 новых устройств и технических средств и около 20 новых способов об работки кормовых материалов в условиях хозяйств. Среди них многооперационный комбикормовый агрегат АКА-3.322 производительностью 3 т в час. Он позволяет при готовить автоматически по задаваемой программе на микропроцессоре комбикорма до 150 рецептур, включающие до 35 основных компонентов и микроэлементов для раз личных видов животных (коровы, молодняк КРС, свиньи, птица, овцы) в зависимости от их половозростных групп.
Исключительную важность точные технологии имеют в повышении качества производимых в хозяйстве компонентов. Технология СВЧ-микронизации (нанотехно логия) зерна обеспечивает декстринизацию крахмала до 55%, повышает усвояемость корма и увеличивает продуктивность животных на 18-36% при снижении расхода кор ма до 15%.
Технология каротино-стабилизирования с помощью СВЧ-обработки витаминной травяной муки снижает потери каротина в процессе хранения в 2,4-3,6 раза.
Подобные инженерные разработки способствуют повышению производительно сти труда, продуктивности животных и обеспечению агроэкологии в животноводстве.
Получено 21.02.2005.
L.P.Kormanovsky, Academician of the Russian Academy of Agricultural Sciences, Moscow, Russia SOME ENGINEERING AND ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ANIMAL HUSBANDRY Summary The data on milk yields and quality, and cow disease incidence on the dairy farms in the Russian Federation are quoted. Some suggestions how to improve existing dairy produc tion practice and raise its environmental safety are offered, namely: replacement of glass milk pipelines by the metal ones with the bigger diameter;
introduction of up-to-date milking equipment and devices for automatic removal of teat cups and automatic registration of milk yield;
transfer to the milking in special parlors;
use of natural cold for milk cooling;
applica tion of feed mixing and distributing machines, multi-function compound feed machines, mi crowave treatment of grain and grass-made flour;
preparation of straw and manure composts, anaerobic fermentation of manure.
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
В.И. Черноиванов, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф.;
А.В. Колчин, канд. техн. наук;
В.М. Мехлин, д-р техн. наук, проф.
Всероссийский научно-исследовательский институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ), Москва ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТРАКТОРОВ И САМОХОДНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В оценке степени совершенства изготовления и эксплуатации тракторов и само ходных сельскохозяйственных машин в последние годы значимое место занимают по казатели экологической безопасности их использования. Экологическая безопасность (ЭБ) машины - это свойство машины не превышать нормативных уровней всех видов вредных воздействий (при работе, обслуживании, ремонте и хранении) на обслужи вающий персонал, население, растительный и животный мир, обеспечиваемое конст руктивными и технологическими факторами, а также операциями ТО и ремонта в тече ние периода от изготовления до списания машины.
Безразборный контроль показателей ЭБ машины с требуемой точностью есть экологическое диагностирование (ЭД). По аналогии с техническим диагностированием результатом ЭД является выдача заключения об экологической безопасности машины с указанием вида и причин нарушения ЭБ. Методы и средства ЭД должны быть удобны и не трудоемки для применения, должны обеспечивать контроль показателей ЭБ без раз борки (или с минимальной разборкой) и быть экономически обоснованными. Экологи ческая диагностика - это отрасль знаний, изучающая закономерности изменения пока зателей ЭБ машин и разрабатывающая методы и средства их определения и оценки ос таточного ресурса агрегатов машины.
Основные показатели экологической безопасности тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин:
- удельные выбросы СО, СН и NOX в отработавших газах (ОГ) дизельных двига телей (ДВС) тракторов или сельскохозяйственных машин согласно ГОСТ 17.2.2.05-97;
- дымность ОГ дизеля (в установившемся режиме и режиме свободного ускоре ния) согласно ГОСТ 17.2.2.02-98 (с учетом условий эксплуатации: места с ограничен ным воздухообменом и с неограниченным воздухообменом);
- содержание пыли и СО в воздухе рабочей зоны оператора трактора или сель скохозяйственной машины (герметичность кабины);
- утечки моторного, трансмиссионного и гидравлического масла, дизтоплива, охлаждающей жидкости;
- выбросы (утечки) отработавших газов помимо выхлопной трубы трактора или сельскохозяйственной машины;
- шум внутренний (в кабине водителя) и внешний, создаваемый трактором (сельскохозяйственной машиной);
- вибрации на органах управления и на сиденье оператора трактора (сельскохо зяйственной машины);
- удельное давление на почву движителей трактора или машины (механическое воздействие движителей машин на почву, вызывающее разрушение ее структуры, ухудшение воздушного, водного и биологического режимов).
Главной причиной неблагоприятного воздействия машинно-тракторного парка (МТП) на природную среду остается низкий технический уровень эксплуатируемых тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Защита окружающей среды от загрязняющих и вредных воздействий тракторов и других с.х. машин актуальна для сферы эксплуатации МТП в сельском хозяйстве и содержит ряд проблем. Основными из них являются:
1. Влияние на человека загрязнений воздуха, обусловленных выбросами вред ных веществ в отработавших газах (ОГ) дизелей самоходных машин. Оценка влия ния загрязнения атмосферного воздуха на случаи заболеваний механизаторов показала, что вклад этого фактора воздействия в суммарную заболеваемость колеблется в зави симости от возрастной категории от 10 до 37%.
Вклад широко распространенных загрязняющих атмосферный воздух веществ (пыль, оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота) в частоту обострений хроническо го бронхита превосходит вклад специфических вредных примесей (органические со единения, металлы) примерно в 1,6 раза, тогда как вклад последних в частоту эндок ринных заболеваний - в 1,5 раза.
2. Загрязнение почвы тракторами и самоходными с.х. машинами становится серьезной проблемой. Это в первую очередь утечки топливно-смазочных материалов (загрязнение почвы нефтепродуктами);
повреждение почвенного покрова движителями машин;
захламление земель отходами и металлоломом и др. Загрязнение земельных ресурсов самоходными машинами приводит к гибели растительного покрова, повы шенному содержанию тяжелых металлов в почве (свинец, никель, цинк и др.), а также повышает эрозию почвы.
3. Загрязнение водоемов отходами и топливно-смазочными материалами (ТСМ) от самоходной техники приводит к серьезному ухудшению условий воспроизводства рыбы, сокращению их запасов и уловов, загрязнению сельхозпродукции и др. Загряз нение вод происходит путем вымывания рассмотренных выше вредных веществ из почвы, попадания вредных веществ из воздуха и др.
4. Переуплотнение почв. Основной причиной переуплотнения почв является высокая техногенная нагрузка на почву на фоне интенсивной дегумусификации па хотного горизонта - применение тяжелых машинно-тракторных агрегатов, оказываю щих недопустимое давление ходовых систем на поверхность почвы.
5. Влияние повышенного шума и вибрации на человека. Высокая шумовая на грузка вызывает не только функциональные нарушения отдельных систем организма, но приводит к росту заболеваемости сердечно-сосудистыми, нервными и другими болезнями.
Одним из путей обеспечения приемлемой экологической безопасности МТП яв ляется правильная эксплуатация машин, а также своевременное их техническое обслу живание (ТО) и ремонт с элементами контроля и восстановления параметров ЭБ.
Вредные выбросы в ОГ ДВС неизбежны, но их концентрация может значитель но увеличиваться с разрегулировками, неисправностями, износами деталей системы питания, цилиндропоршневой группы и газораспределительного механизма (ГРМ), а также с ухудшением качества (повышением сернистости) топлива и моторного масла.
Токсичны даже исправные дизели при запуске и работе без прогрева на минимальных оборотах, с малой нагрузкой, на холостом ходу. Отсюда следует, что контроль и вос становление экологических характеристик дизелей операциями ТО и ремонта, а также обеспечением правильных режимов их работы при эксплуатации, позволяющими зна чительно уменьшить токсичность ОГ и удерживать ее в норме, является насущной за дачей.
Сегодня, ввиду перестроечных потрясений, резко снизился объем работ по тех сервису и весьма слабым звеном стал контроль технического состояния машин, ток ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
сичности ДВС в эксплуатации. А неисправные системы питания ДВС могут способст вовать увеличению выбросов вредных веществ с ОГ на порядок и более.
Наибольшие нарушения требований стандартов по техническому и экологиче скому состоянию ДВС выявлены в малых с.х. предприятиях, а также в фермерских хо зяйствах, у которых минимум возможностей проводить своевременно техсервис с.-х.
техники.
Как показали результаты исследований ГОСНИТИ, а также зарубежных и отече ственных НИИ, наиболее опасны для человека твердые частицы сажи, которые являют ся продуктом крекинга и неполного сгорания топлива из-за больших капель распылен ного топлива и малых концентраций кислорода. В саже, помимо углерода, водорода, воды, сульфатов и кислорода содержится ряд полициклических ароматических углево дородов. Задерживаясь в организме человека, сажа вызывает аллергию и является пе реносчиком бенз(а)пирена. При работе дизеля на одну тонну сжигаемого топлива вы брасывается примерно 20 кг твердых частиц сажи.
Доля выбросов вредных веществ в ОГ дизелей самоходных машин с каждым го дом растет по ряду причин: низкое качество топлив и масел;
отставание промышленно сти в разработке и внедрении комплекса мероприятий, снижающих выбросы вредных веществ самоходной с.х. машиной;
несоответствие существующей инфраструктуры эксплуатации с.х. машин современным требованиям диагностики, контроля, техниче ского обслуживания и ремонта;
отсутствие в законодательстве положений, стимули рующих разработку и внедрение малотоксичных дизелей, средств снижения токсично сти ОГ, неэтилированных бензинов и других экологически более чистых видов топлив и масел необходимого качества;
отсутствие стимулов повышения культуры эксплуата ции тракторов и с.х. машин.
Отечественные сельскохозяйственные тракторы по техническому уровню мно гократно отстают от тракторов, выпускаемых зарубежными фирмами. Учитывая, что в сегодняшних условиях дикого рынка большая часть эксплуатируемых с.х. машин на ходится в технически неисправном состоянии, то с.х. трактор (как и любая самоходная с.х. машина) становится источником повышенной опасности для механизаторов и трак тористов.
Снижение риска травмирования механизаторов АПК относится к числу сложных проблем, решение которых лежит на стыке экономических, технических, биологиче ских, психологических и ряда других наук, фундаментальные результаты которых ис пользует прикладная наука охрана труда. Необходимость применения системного под хода к исследованию проблемы обеспечения безопасных условий труда механизаторов предопределяется характером технологических процессов производства продукции растениеводства, обусловливающих совместное функционирование биологического звена - ЧЕЛОВЕКА и технического средства производства - МАШИНЫ, осуществ ляемое в определенных условиях ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ, которая отчасти формируется природными процессами, а отчасти является продуктом производствен ной деятельности человека (санитарно-гигиеническое состояние на рабочих местах тракторов и комбайнов, состояние внутрихозяйственных дорог и мостов, производст венных помещений и т.д.).
Проведенные анализ и комплекс исследований позволили выявить влияние ос новных узлов и систем трактора на его экологические (Э) и топливно-экономические (ТПЭ) показатели (рис. 1), а также выявить основные причины неисправностей дизеля, влияющих на его Э и ТПЭ показатели (табл. 1).
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Трактор (в целом) Двигатель 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 1. Двигатель 1. Система воздухоподачи 2. Силовая передача 2. Система топливоподачи 3. Гидроаппаратура 3. ЦПГ (цилиндропоршневая группа) 4. Тормоза 4. ГРМ 5. Ходовая система 5. Система смазки 6. АТЭ (автотракторное электрооборудование) 6. Система охлаждения 7. Вспомогательное оборудование 7. Загрязненность ТСМ Рис. 1. Влияние (в %) основных узлов и систем трактора на Э и ТПЭ показатели.
В процессе эксплуатации техническое состояние тракторов и с.х. машин, как правило, ухудшается: снижаются показатели работоспособности (мощность, произво дительность и др.), увеличивается энергопотребление (т.е. уменьшается экономич ность), ухудшаются другие параметры технического состояния, технической и эколо гической безопасности (дымность и токсичность отработавших газов дизеля, уровень внешнего шума и уровень шума в кабине, уровень вибрации, эффективность работы тормозной системы и рулевого управления и др.). В этой связи необходимо при экс плуатации тракторов и с.х. машин не только контролировать параметры технического состояния, экологической безопасности и ТПЭ показатели, но и управлять этими па раметрами. Целенаправленные меры в этом направлении могут привести к достиже нию оптимального соотношения между денежными затратами на ТО и ремонт машин и обеспечением эксплуатационной надежности, ЭБ и нормативной топливной экономич ности при использовании машин.
% % ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
Таблица Основные причины неисправностей дизеля, влияющих на его экологические показатели Составная часть Причины неисправностей 1. Система возду- - загрязненность воздухоочистителя;
засоренность впускного воз хоподачи душного тракта;
неисправность турбокомпрессора (ТКР);
негер метичность впускного тракта за ТКР 2. Система топ- - пониженное давление впрыскивания;
плохое качество распыли ливоподачи вания топлива;
подтекание форсунок;
- неправильный угол начала нагнетания топлива насосом высоко го давления;
разрегулировки топливного насоса высокого давле ния (ТНВД);
износ кулачкового вала;
- неправильно отрегулирован корректор регулятора ТНВД;
завы шена цикловая подача топлива 3. ЦПГ - износ деталей ЦПГ, закокосованы (залегли) поршневые кольца Составная часть Причины неисправностей 4. ГРМ - негерметичность прилегания клапанов ГРМ к седлам из-за изно са, прогара;
- неправильные тепловые зазоры в клапанах ГРМ;
- заедание клапанов в направляющих втулках, поломка клапанных пружин 5. Система смазки - загрязненность картера и масляной системы;
уровень масла в картере;
загрязненность маслозаборника и фильтров;
негерметич ность уплотнений и соединений 6. Система охла- - негерметичность соединений и уплотнений;
загрязненность ра ждения диатора;
натяжение ремня вентилятора;
уровень воды в радиаторе 7. Загрязненность - топливо с низким цетановым числом;
попадание воды в топливо ТСМ и масло;
загрязненность масла моторного Проблема управления технической эксплуатацией тракторов и с.х. техники - это общенациональная комплексная проблема и включает следующие аспекты:
1. Нормативно - законодательный аспект;
2. Правовой аспект (наличие единых конструктивных, технологических и эко логических решений, обеспечивающих эксплуатационную надежность, ЭБ, топливную экономичность и техническую безопасность (ТБ) любых с.х. машин).
Здесь должен быть заложен главный принцип: производитель, виновный в вы пуске машин, не обеспечивающих надежность, ЭБ, топливную экономичность или ТБ, обязан полностью компенсировать ущерб, в т.ч. и потенциальный, т.е. должна действо вать система налогов, штрафов и компенсаций. Это закономерный подход в условиях рыночной системы, т.к. конкурентная борьба побуждает производителей с.х. техники осваивать новые технологии, в т.ч. энерго- и ресурсосберегающие. Эти мероприятия производителей должны поощряться государством через льготное налогообложение и субсидии;
3. Технологический аспект - основа обеспечения эксплуатационной надежно сти, оптимальной топливной экономичности, ЭБ и ТБ тракторов и с.х. машин при экс плуатации.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Поскольку степень вредного влияния тракторов и самоходных машин на окру жающую среду и наносимый ими ущерб зависят от внешних условий работы, в первую очередь от чувствительности тех биологических объектов (людей, животных, растений и т.д.), с которыми они контактируют, то можно сделать выводы:
Х при определении требований к работам техсервиса (ремонту и ТО) самоходной машины следует учитывать условия ее эксплуатации, а это удобно осуществлять через оценку ее экологической безопасности и топливной экономичности;
Х чем экологически и технически опаснее машина, тем больше внимания следует уделять любым ее неисправностям.
Единственно возможным путем обеспечения ЭБ и оптимальной топливной эко номичности тракторов и самоходной сельскохозяйственной техники в настоящее время является комплексное решение экологических и экономических проблем, в основу ко торых должен быть положен эколого-экономический критерий. Сущность этого крите рия состоит в оптимальном сочетании конструктивно-технологических мер при произ водстве и эксплуатации с.х. машины, направленных на обеспечение безопасности и минимальных вредных воздействий этой машины на окружающую среду, а также и экономических затрат на выполнение вышеуказанных мер, и применение эффективной системы платежей и штрафных санкций к изготовителю и владельцу машины за нано симый вред окружающей среде в зависимости от размеров и видов источников загряз нений.
Для установления обоснованных размеров штрафных санкций стала необхо димостью разработка методов и средств оперативной оценки степени экологической и технической безопасности конкретных самоходных машин. В этой связи по аналогии с зарубежными стандартами нами предложено ввести пять категорий экологической и технической безопасности тракторов и самоходных машин, в зависимости от ущерба, наносимого машиной человеку, животным и окружающей природной среде, по кото рым можно было бы назначать платежи, отдельно по каждой категории. При этом оценка безопасности проводится с применением как специальных средств экологиче ского контроля, так и с возможно более полным использованием общих существующих средств ЭД и средств техсервиса по специальным методикам и технологиям.
Управление ЭБ и топливной экономичностью машин - это целенаправленное изменение технического состояния агрегатов машины с помощью управляющих воз действий, ведущее к обеспечению нормативных значений ЭБ и ТПЭ показателей.
Цель управления заключается в обеспечении при изготовлении, восстановлении, при ремонте и поддержании при ТО оптимального уровня ЭБ и ТПЭ, в создании усло вий, позволяющих уменьшить частоту их нарушений при небольших материальных и денежных издержках.
Для поддержания и восстановления оптимального уровня ЭБ и ТПЭ машин ис пользуют набор управляющих воздействий (показателей), т.е. показателей, влияющих на техническое состояние составной части машины.
К этим показателям относятся допускаемые и предельные отклонения парамет ров, межконтрольная наработка, ресурс или средняя наработка на отказ, остаточный ресурс до ремонта, срок службы машины до списания, а также суммарные издержки на ТО и ремонт.
При эксплуатации управление ЭБ и ТПЭ с.х. машины осуществляется путем контроля этих показателей, назначения и проведения ремонтно-обслуживающих воз действий (РОВ), предупреждающих отказы или устраняющих последствия отказов. В ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
результате проведения соответствующих мероприятий восстанавливают ресурсные и функциональные параметры до уровня номинальных или близких к ним значений.
Создание системы управления ЭБ и ТПЭ машин возможно прежде всего при на личии развитой нормативной базы, квалифицированного аппарата для контроля за ее соблюдением и системы оперативного экологического мониторинга.
Управление экологической безопасностью и ТПЭ тракторов и самоходных с.х.
машин в АПК требует внедрения как контроля этих показателей, так и внедрения тех нологий управления (восстановления) параметров безопасности методами и средствами ТО и ремонта.
ЛИТЕРАТУРА 1. В.И. Черноиванов, Колчин А.В. Научное обеспечение экологической и тех нической безопасности и охраны труда при использовании сельскохозяйственной тех ники //Техника и оборудование для села. 2004. - № 3.
2. Ксеневич И.П. и др. Ходовая система - почва - урожай. - М.: Транспорт, 1979.
3. Ксеневич И.П. Основные направления развития с.х. мобильной энергетики. - М.: ВИМ, Материалы конференции Научно-технический прогресс в инженерной сфе ре АПК России, 1992.
Получено 17.02.2005.
V.I. Chernoivanov, academician of the Russian Academy of Agricultural Sciences, A.V. Kolchin, Cand. Sc. (Eng) All-Russia Research Institute of Repair and Operation of Machine and Tractor Fleet (GosNITI), Moscow, Russia HOW TO ENSURE ENVIRONMENTALLY SAFE OPERATION OF TRACTORS AND SELF-PROPELLED AGRICULTURAL MACHINES Summary In the paper research results are presented, which were carried out by the specialists of the institute on the problem "Scientific support of ecological safety of farm machinery opera tion". Full scale investigations established the effect of main technical failures of tractor or farm machine units and systems on their ecological characteristics, i.e. correlations between machine technical state parameters and its environmental safety indices were revealed. This, in turn, allowed substantiating the major items of the control system for environmental safety of tractors and self-propelled farm machines operation. The basis of this control system is formed by regulatory, legal and technological aspects.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
М.Н. Ерохин, академик Россельхозакадемии, д-р техн. наук, проф.;
В.Н. Попов, д-р техн. наук, профессор Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина.
ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ ПРИ ПОДГОТОВКЕ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ Целью экологического образования является становление экологической куль туры личности и общества, как совокупности практического и духовного опыта взаи модействия человечества с природой, обеспечивающего его выживание и развитие. Эта цель согласуется с идеалом общего воспитания всесторонне развитой личности, спо собной жить в гармонии с окружающей средой. Экологическая культура вбирает в себя практический и духовный опыт обеспечения выживания и социального прогресса лич ности и общества. Ключевую роль в достижении этой цели играет развитие экологиче ского сознания личности.
К сожалению, в общественном сознании различных слоев населения чаще всего проявляются невежество, потребительство, хищничество в отношении природной сре ды. Достижение цели экологического образования затруднено кризисными явлениями во всех сферах жизни нашего общества.
На современном этапе развития общества резко обострилась экологическая си туация в стране. Создается опасность для здоровья нынешнего и воспроизводства бу дущих поколений. Идет процесс расширения особо неблагополучных экологических зон, дальнейшее экологическое развитие которых без надлежащих мер по охране при роды может привести к образованию обширных зон экологического бедствия.
С учетом этого специалисты агроинженерного профиля должны обладать эколо гическими знаниями, понимать сущность современных проблем взаимодействия обще ства и природы, разбираться в причинной обусловленности негативных воздействий хозяйственной деятельности на окружающую природную среду, уметь квалифициро ванно оценить характер, направленность и последствия влияния конкретной деятельно сти человека на природу, увязывая решение производственных и технологических за дач с соблюдением соответствующих природоохранных требований, вырабатывать и осуществлять научноЦобоснованные решения экологических проблем.
Показателем эффективности формирования экологической ответственности должны стать не только осознанность, глубина и прочность знаний, но и реальные сле дования экологическим нормам в профессиональной деятельности.
К сожалению, сложившаяся практика формирования экологических знаний спе циалистов различного профиля, работающих в сельскохозяйственном производстве имеет целый ряд недостатков, основными из которых являются:
- отсутствие научно-обоснованной стратегии управления экологическим образо ванием при подготовке и переподготовке кадров для агропромышленного комплекса;
- применение недостаточно эффективных методик внедрения экологических знаний в общеобразовательные и специальные предметы;
- слабая обеспеченность учебного процесса учебной и научно-методической ли тературой, отражающей специфику взаимодействия общества и окружающей среды в условиях совершенствования научных технологий и технического обеспечения сель скохозяйственного производства;
- отсутствие системы подготовки педагогов-экологов с углубленным знанием специфики современного агропромышленного производства;
ISBN 5-88890-034-6. Том 1.
- слабая финансовая и материально-техническая база высших учебных заведений сельскохозяйственного профиля и т.п.
Недостаточна экологическая направленность существующих учебных программ и планов подготовки агроинженерных кадров, которые слабо отражают специфику взаимоотношений лобщество - научно-технический прогресс - окружающая среда.
Решение данных проблем потребует от высшей школы разработки новой страте гии формирования образовательных программ, замены действующей в высшем сель скохозяйственном образовании биологической парадигмы на эколого-экономическую.
Это позволит интегрировать знания об окружающей природной среде в предметы про фессиональной подготовки специалистов и раскрыть выпускникам вузов последствия влияния сельскохозяйственной деятельности на состояние основных компонентов ок ружающей среды, природно-ресурсный потенциал территорий и здоровье сельского населения.
В основу разработки таких программ и планов целесообразно положить теоре тические основы и практические навыки по обеспечению экологически безопасного функционирования сельскохозяйственного производства в условиях техногенного за грязнения окружающей среды.
Достижение новой образовательной цели будет зависеть от междисциплинарных связей и системного подхода к экологизации учебного процесса, в отличие от чисто дисциплинарного подхода, практикуемого в настоящее время. Речь идет о фундамен тальном научном подходе к организации экологического образования в высших сель скохозяйственных учебных заведениях по специальностям: механизация сельского хо зяйства, механизация переработки сельскохозяйственной продукции, электрификация и автоматизация сельского хозяйства, технология обслуживания и ремонта машин в АПК.
Новое содержание экологического образования должно характеризоваться много профильностью, многоуровневостью, гибкостью, вариативностью, универсальностью, преемственностью и прогностичностью.
Рассмотрим особенности формирования экологических знаний при подготовке агроинженерных кадров в Московском государственном агроинженерном университете им. В.П. Горячкина (МГАУ).
Вопросы и проблемы экологии в процессе обучения инженеров изучаются не прерывно, т.е. специалисты получают непрерывное экологическое образование (рис. 1), начиная с освоения дисциплины Биология с основами экологии на первом курсе, за тем Теплотехника, Безопасность жизнедеятельности, Правоведение и специаль ных дисциплин: Технология растениеводства, Механизация и технология животно водства, Тракторы и автомобили, Топливо и смазочные материалы, Сельскохо зяйственные машины и Эксплуатация машинно-тракторного парка;
Технологии и технические средства в сельском хозяйстве, Светотехника и электротехнология;
Сельскохозяйственная техника и технологии, Машины и оборудование для механи зации технологических процессов на животноводческих фермах, Основы проектиро вания и строительство перерабатывающих предприятий, Технология хранения и пе реработки сельскохозяйственной продукции, Холодильное и вентиляционное обору дование;
Технология сельскохозяйственного производства, Технологические машины и оборудование, Проектирование предприятий технического сервиса.
ISBN 5-88890-033-8. Экология и сельскохозяйственная техника. СПб, 2005.
Pages: | 1 | 2 | 3 | 4 | ... | 5 | Книги, научные публикации