Разработка системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодных светильников и резонансного источника питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Разработка системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодных светильников и резонансного источника питания

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

На правах рукописи

Михалев Александр Александрович

Москва, 2014

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, Юферев Леонид Юрьевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Защита состоится «____»________________20__ г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д.006.037.01 в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Автореферат разослан «_____»___________2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Некрасов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для правильного выращивания птицы, при всех типах содержания важную роль играет освещение, поскольку от него зависит комфортность и продуктивность стада. Оптимальность развития зависит не только от уровня освещенности и длительности светового дня, но и от спектра искусственного источника света.

При правильно подобранных характеристиках источника света уменьшается срок полового созревания, затраты на корм и потребление электроэнергии, увеличивается яйценоскость, размер и масса яиц и сохраняемость поголовья.

Роль освещения при выращивании кур часто недооценивают, несмотря на то, что еще несколько десятилетий назад была доказана эффективность введения научно обоснованных режимов освещения.

Традиционные системы освещения птицеводческих помещений выполняются в виде закрытых светильников с лампами накаливания мощностью 60…100 Вт или на люминесцентных лампах.

В странах ЕС поставлена цель - сократить общий объём потребления электроэнергии на 20 % к 2020 г. Для этого были разработаны специальные директивы, регламентирующие деятельность в данном направлении. В России вступил в силу Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 года N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Одним из путей внедрения энергосберегающих технологий является применение светодиодных источников света.

При конструировании систем освещения на основе светодиодов появляются протяженные (во всю длину птичника - до 300 м) линии постоянного тока напряжением 24 вольта и линии управления величиной освещенности светодиодных светильников. При этом, для уменьшения потерь напряжения, приходится применять кабели с большим сечением (до 25 мм2). Эксплуатация данных систем показывает, что, несмотря на все усилия, принимаемые проектировщиками, имеется существенное отличие в светоотдаче первых и наиболее удаленных от источника питания светильников.

Из-за этого возникает необходимость поиска другой системы питания с возможностью плавного регулирования освещения. Одним из вариантов может стать резонансная система питания светодиодных светильников, разработанная в ГНУ ВИЭСХ.

В связи с этим возникают научные и практические задачи по разработке технических средств на базе резонансной системы освещения на основе современных светодиодов для применения в птицеводческих помещениях.

Разработка технических средств системы освещения птицеводческих помещений потребует научного обоснования конструктивных и технологических параметров светильников, системы питания, а также системы управления освещением. Этому посвящена настоящая диссертационная работа, что и определяет ее актуальность.

Работа выполнялась в рамках рабочей программы по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям на 2010 год № 09.03.04.03

Цель работы. Обоснование параметров и разработка системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов и резонансной системой питания источников света позволяющей снизить приведенные затраты, в том числе капитальные затраты и расход электроэнергии а так же повысить яйценоскость птицы.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

- провести анализ существующих систем освещения помещений для выращивания птицы и обосновать актуальность и практическую значимость разработки системы освещения на основе светодиодов с резонансным источником питания;

- разработать математическую модель для расчета тепловых режимов работы светодиодов в светильниках для оценки срока службы;

- на основе математического моделирования и экспериментальных исследований обосновать конструктивно-технологические параметры системы освещения птицеводческих помещений, разработать и испытать экспериментальный образец;

- провести производственные испытания и оценить технико-экономическую эффективность внедрения предлагаемой системы освещения на основе светодиодных светильников с резонансной системой питания источников света.

Научную новизну работы представляют:

- резонансная система электропитания светодиодных светильников для освещения помещений с напольным выращиванием птицы и реализацией функции «Рассвет - Закат» (патент РФ №120307).;

- математическая модель теплового режима работы светодиодов в светильниках на основе уравнений Навье-Стокса и граничных условий;

- алгоритм работы системы управления освещением с резонансной системой питания светильников;

- методические положения применения системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов с резонансным источником питания.

Положения, выносимые на защиту:

- разработанная система освещения птицеводческих помещений на основе светодиодных светильников с резонансной системой питания источников света обеспечивает требуемый уровень освещенности с возможностью плавного включения-выключения «Рассвет - Закат»;

- математическая модель позволяет обосновать тепловой режим работы светодиодов в светильниках с температурой кристалла не более 57?С, обеспечивающая срок службы светодиодов 70000 часов;

- методика расчета технологических и конструктивных параметров системы освещения позволяет обосновать требуемый комплект оборудования для освещения различных птицеводческих помещений;

- разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях комплекты оборудования системы освещения птицеводческих помещений позволяют повысить яйценоскость на 4,2 %, снизить расходы на электроэнергию в 3 раза и капитальные затраты в 1,8 раз.

Методика исследований. В работе использованы методы математического анализа, основы электротехники, теплопередачи, компьютерного моделирования в системах CalkuLux и ANSYS/CFX, теории планирования эксперимента, методы прикладной экономики, а также современная измерительная аппаратура.

Практическая ценность:

- разработана методика теплового расчета для оценки срока службы светодиодов в светильниках;

- разработаны технические средства для системы освещения птицеводческих помещений на основе светодиодов, при которых сокращаются капитальные затраты в 1,8 раза, уменьшаются затраты на электроэнергию в 3 раза, увеличивается срок службы светильников до 70000 часов и повышается яйценоскость на 4%;

- технико-экономическое обоснование для расчета эффекта от замены действующей системы освещения птицеводческих помещений на основе люминесцентных ламп на светодиодную систему освещения с резонансной системой электропитания.

Внедрение результатов исследований.

Результаты проведенных исследований резонансной системы освещения проведены в птицеводческих хозяйствах ГУП ППЗ «Птичное» Россельхозакадемии, ФГУП ППЗ «Кучинский» Россельхозакадемии и экспериментальном птичнике ГНУ ВНИИВСГЭ Россельхозакадемии.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международных конференциях: Международной научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь и инновации - 2011» Беларусь, Горки 25-27 мая 2011 г., 8-й международной специализированной выставки «Пожарная безопасность 21 в» Москва, 2009г., 10-й юбилейной специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» Москва, 2010г., конференции Научно-образовательного центра по энергосбережению и возобновляемым источникам энергии (ЦЭВИ). РГАЗУ 2010г., II Международной научно-практической конференции «Молодежная наука - как взгляд в будущее» для студентов СПО, ВПО, аспирантов и молодых ученых, Оренбург, 22 апреля 2011г., 14-й Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве - инновационные технологии и модернизация в отрасли», Подольск, 20-21 апреля 2011г., 7-й и 8-й международных научно-технических конференциях, ВИЭСХ, Москва, 2010 и 2012г.,

Разработка данной системы освещения получила диплом президиума Россельхозакадемии за лучшую законченную научную разработку 2011 года.

Публикации результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, из них 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 115 наименований, семи приложений. Общий объем диссертации составляет 141 страниц, в том числе на 120 странице изложен основной текст, который содержит 44 рисунка и 10 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, цели и задачи исследования. Изложено краткое содержание глав диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Системы освещения помещений для содержания птицы» рассматриваются основные сведения об искусственных источниках света и режимах освещения в различных птицеводческих помещениях, а также системы управления освещением и питания источников света.

Согласно существующим нормативным документам оптимальными условиями для содержания птицы является освещенность 10…50 лк в зависимости от породы птицы в течение 14 - 24 часового дневного периода. Практически доказано, что хорошее освещение, включая оптимальное управление световым режимом, может повысить количество яиц и привесы.

Режимы освещения в помещениях могут быть как с одним световым периодом, так и прерывистые. Но при этом большое значение имеет функция плавного включения и выключения света - «Рассвет - Закат», т.к. при резкой смене уровня освещенности птица может пугаться, а при большом количестве голов в отсеке увеличивается травматизм и гибель птицы.

Для систем освещения птичников наиболее распространены светильники на основе ламп накаливания, на втором месте - энергосберегающие системы, - на основе люминесцентных ламп. Но они имеют сложные системы управления уровнем освещенности.

С появлением светодиодов появилась возможность создавать энергосберегающие системы освещения с возможностью изменять освещенность в широких пределах без изменения спектра излучения, в отличие от систем на лампах накаливания. Стоимость светодиодных систем освещения постоянно снижается, однако из-за того, что светодиоды - низковольтные источники света, появляется проблема, связанная с системами их питания.

Разработкой и исследованием энергосберегающих систем освещения птицеводческих помещений занимались Российские ученые Лямцов А.К., Кавтарашвили А.Ш., Новоторов Е.Н, Фисинин В.И., Гладин Д., Колокольникова Т., Малышев В.В., Волконская Т. Н., Новоселов И.М., Лысенко В.П., Косицын О.А. и др. Исследования ученых показали, что наилучшими источниками искусственного освещения являются светильники на основе белых светодиодов.

Так же научно и практически доказано, что светодиоды могут работать от резонансной системы электропитания, разработанной в ГНУ ВИЭСХ. Разработкой резонансных систем освещения занимались Российские ученые Стребков Д.С., Некрасов А.И., Рощин О.А. и Юферев Л.Ю.

Резонансная система питания освещения отличается от стандартных систем электропитания тем, что в начале линии устанавливается преобразователь напряжения, настроенный на резонансную частоту линии электропередачи. В каждом светильнике устанавливается обратный преобразователь с необходимым для работы выходным напряжением.

Во второй главе «Обоснование и разработка конструкции энергосберегающих светильников на основе светодиодов» изложены теоретические исследования процесса распределения тепла от кристалла светодиода до охладителя. Приведена математическая модель процесса охлаждения светодиода. Произведен расчет предельной температуры кристалла и выбор оптимальной конструкции светодиодного светильника. Проведено моделирование процесса охлаждения светодиодов в программном комплексе ANSYS/CFX. Обоснована конструкция и параметры светодиодных светильников.

Основным фактором, влияющим на срок службы светодиода, является температура кристалла светодиода при его работе. Известно, что при температуре кристалла +70?С срок службы светодиода может составлять 50000 часов (рис.1), при падении светового потока на 30 %.

Для обеспечения длительного срока службы светодиодов в светильниках, необходимо рассчитать систему охлаждения таким образом, чтобы максимальная температура кристаллов светодиодов не превышала +70?C.



Рис.1. Зависимость срока службы светодиода от температуры

В процессе работы светодиодного светильника происходит нагрев конструкции за счёт тепла, выделяемого p-n переходом. В представленной конструкции тепло передаётся посредством теплопроводности от светодиода текстолитовой подложке, стеклу и пластиковому коробу; стекло, короб и текстолит охлаждаются за счёт возникающей естественной конвекции - при этом стекло и короб охлаждаются потоками окружающего воздуха. Задача решалась в стационарной постановке - т.е. рассматривался установившийся тепловой режим при естественной конвекции воздуха. При решении задачи не учитывался лучистый теплообмен, поскольку его вклад в общую картину распределения составляет около 4 %.

Рис. 2. Схематичное изображение одномерной расчётной области

В расчёте рассматривается светодиод с прилегающей областью (см. рис. 2), через границы которой, в силу периодического расположения светодиодов, не передаётся тепло, т.е. не учитывался перенос тепла в горизонтальном (т.е. в плоскости стекла и текстолита) направлении. При решении задачи в данной постановке - в качестве площади, через которую происходит теплообмен, была взята площадь повторяющегося шаблона в ряду (светодиод и прилегающая поверхность) размерами 39,2?20,2 мм.

В силу большой теплопроводности подложки светодиода и p-n перехода будем считать в расчётах температуру кристалла и светодиода одинаковой: t2 = t3 = tСД.

Выделяемое светодиодом тепло QV разделяется, при описанных предположениях, на - отводимое через текстолит q2 и - через стекло q3:

энергосберегающий светильник резонансный птицеводческий

QV = q2 • S2 + q3 • S3, (1)

где Si - площадь соответствующей поверхности, через которую происходит теплообмен,

Искомая температура светодиода tСД:

(2)

где tв - температура окружающего воздуха; tк - температура части короба, соприкасающейся со стенкой; R2, R3 - коэффициенты.

Рассчитаем температуру светодиода для двух вариантов исполнения корпуса:

1. Пластиковый корпус:

Коэффициент теплоотдачи от поверхности окружающему воздуху:

 (3)

где ? - коэффициент теплопроводности = 0,026 Вт/м·К; Gr - число Грасгофа = 6,2·104.

(4)

где ?G - коэффициент теплопроводности стекла,

(5)

где ?Т - коэффициент теплопроводности текстолита

(6)

2. Алюминиевый корпус:

коэффициент теплоотдачи от поверхности окружающему воздуху:

(7)

где ? - коэффициент теплопроводности = 0,067 Вт/м·К; Gr - число Грасгофа = 5,2·104.

 (8)

где ?G - коэффициент теплопроводности стекла,

(9)

где ?Т - коэффициент теплопроводности текстолита

(10)

При помощи формул (1) - (10) была рассчитана максимальная температура светодиода для различной температуры внешнего воздуха от + 20?С, до + 45?С для двух вариантов корпуса - из пластика и алюминия (рис. 9).

Для проверки результатов расчета с помощью программного комплекса ANSYS/CFX была разработана математическая модель, которая представляет собой систему уравнений Навье Стокса (для среды воздуха) - уравнений сохранения массы, импульса и энергии:

(11)

(12)

(13)

где - плотность газовой смеси, - скорость течения, - температура, - теплоемкость при постоянном давлении, - коэффициент теплопроводности, - объёмное тепловыделение (отлично от нуля только в объёме расчётной области, соответствующей p-n переходу), тензор напряжений :

(14)

где - давление, - ускорение земного тяготения, - динамическая вязкость, - вторая вязкость. В качестве замыкающего систему уравнения использовано уравнение состояния идеального газа:

, (15)

где - молярная масса воздуха (равная 28.98 кг/кмоль).

Распространение тепла в твёрдой (неподвижной) среде описывается уравнением теплопроводности:

(16)

При решении задачи были выбраны следующие граничные условия:

· Температура твёрдой поверхности, с которой соприкасается короб лампы задавалась постоянной, равной температуре окружающего воздуха, т.е.

. (17)

· На границе расчётной области, соответствующей окружающему воздуху было задано условие свободного протекания:

(18)

, (19)

(20)

где - единичная нормаль к границе расчётной области, - атмосферное давление.

Дифференциальные уравнения (11)-(20) решаются методом конечных объёмов (Finite Volume Method) на трёхмерной сетке, т.е. исходной геометрии, разбитой на т.н. конечные объёмы - геометрические примитивы (тетраэдры, шестигранники и призмы). При решении поставленной задачи расчётная область была разбита на 528000 конечных объёмов-гексаэдров со средним размером 0.25 см. В качестве начальной температуры была задана температура окружающего воздуха, сам воздух имел нулевую скорость.

Представленные результаты (Рис.4 - 9) получены в результате решения уравнений (11)-(20) с помощью программного комплекса ANSYS/CFX. Данный комплекс позволяет решать задачи сопряжённого тепло- и массообмена в полной трёхмерной постановке. Для оценки точности расчетов, был снят тепловой снимок с помощью и тепловизора (рис. 3).



Рис. 3. Распределение температуры светильника при температуре окружающего воздуха +19?С (снимок сделан тепловизором)

Рис.4. Распределение температуры по поверхности корпуса, текстолитовой пластине и светодиодам.

Материал корпуса - пластик, температура окружающего воздуха - 20?С



Рис.5. Распределение температуры по поверхности корпуса, текстолитовой пластине и светодиодам

Материал корпуса - алюминий, температура окружающего воздуха - 20?С

Рис. 6. Распределение температуры по поверхности корпуса, текстолитовой пластине и светодиодам

Материал корпуса - пластик, температура окружающего воздуха - 45?С



Рис.7. Распределение температуры по поверхности корпуса, текстолитовой пластине и светодиодам

Материал корпуса - алюминий, температура окружающего воздуха - 45?С

Рис.8. Распределение температуры по поверхности корпуса и стекла

Материал корпуса - пластик, температура окружающего воздуха - 45?С



Рис. 9. Зависимость температуры светодиодов от температуры окружающего воздуха для двух вариантов корпусов

На рис. 9 приведены графики зависимости максимальной температуры светодиодов от температуры окружающего воздуха для двух рассмотренных случаев - пластикового и алюминиевого корпусов, построенные по результатам проведённой серии расчётов. Из приведённых зависимостей видно, что температура p-n переходов в светильнике достигает значения в 50?С, при температуре окружающего воздуха 33?С, в случае, если корпус изготовлен из пластика и 37?С - если был использован алюминий, а при температуре окружающего 45?С воздуха разница между корпусами уменьшается до 1,5?С.

Из тепловых расчетов следует, что допустимо применять пластик при изготовлении корпуса светильника.

Для выбора наиболее эффективного источника света были проведены экспериментальные сравнения наилучших светодиодов. Для этого на их основе были собраны экспериментальные светильники с одинаковой мощностью по 8,4 Вт и измерен уровень освещенности на расстоянии 207 см.

Табл. 1. Испытание экспериментальных светильников

Фирма	Модель	Мощность светодиода Вт	Световой поток, лм	Эффективность лм/Вт	Напряжение питания светодиода	Ток,мА	Цвет. темпер	Угол свечения	CRI	Освещенность 207 см
Cree	МХ3	1,2	100	83	3,4	350	7000	120	80	49 лк
Cree	МХ3	1,2	100	83	3,4	350	4000	120	75	48 лк
Cree	CLP6B-WKW	0,55	35-44	63-80	3,6	150	7000	120	72	45 лк
Cree	CLP6B-MKW	0,55	31-35	56-63	3,6	150	4000	120	75	40 лк
Cree	CLP6B-MKW	0,55	30	55	3,6	150	2700	120	80
Cree	CLN6A-WKW	1,1	80-86	73-78	3,8	300	7000	115	72	35 лк
Cree	CLN6A-MKW	1,1	65-72	59-65	3,7	300	3000	115	80
Samsung	SPMWHT5206N2BAС	0,2(0,3)	20-22	100-110		60(90)	5000	120		61 лк
Samsung	SPMWHT5206N2BAD	0,2(0,3)	20-23	100-115	3,1	60(90)	4200	120		63 лк
Samsung	SPMWHT5206N2BAE	0,2(0,3)	19	95	3,1	60(90)	3400	120		60 лк

Для изготовления окончательного варианта светильников были выбраны светодиоды SAMSUNG SPMWHT5206N2B. С учетом коэффициента пропускания стекла, и запыленности светоотдача светильника с такими светодиодами составляет не менее 80 лм/Вт.

Для освещения рабочей площади 70?5 метров птичника размером 70 х 7 метров, выбираем 44 светильника установленных в 2 ряда

Оценочный расчет мощности светильников для освещения птичника:

(29)

где E - освещенность; F - светоотдача светильников; S - площадь помещения, S =70?5=350м2; n - количество светильников; Kз - коэффициент запаса,.

При этом суммарная мощность светильников рабочей системы освещения составит:

Рсумм = nP = 44 · 6,5 = 286 Вт. (30)

Для проверки расчётного уровня освещенности было проведено моделирование в программном комплексе CalkuLux (рис. 10).



Рис.10. Результаты моделирования новой системы освещения: светильники 6,5 Вт 520 лм - 4 шт. на клетку, 44 шт. на птичник; средняя освещенность - 39,9 лк; суммарная мощность - 286 Вт

Основная часть светильника - текстолитовая пластина размерами 450?40 мм и толщиной 1 мм, на которую припаян 21 светодиод с чередованием теплого и холодного спектра, это обеспечивает температуру кристаллов светодиодов +57°С при температуре окружающего воздуха 45°С.

При такой температуре ожидаемый срок службы светодиодов составит более 70000 часов при спаде светового потока не более 30 %. Передняя часть светильников закрыта стеклом и загерметизирована компаундом.

Табл.2.Техническая характеристика светильника

Номинальная мощность - 6,5 Вт Цветовая температура - 4000 К Минимальный световой поток - 520 лм	Габаритный размер - 500?40?25 мм Количество светодиодов - 21 шт. Масса - 310 гр

В третьей главе «Обоснование и разработка основных элементов резонансной системы освещения птицеводческих помещениях», на основании теоретических расчетов, проведено обоснование состава энерго-ресурсрсберегающей системы освещения птичников. Произведена разработка и обоснование конструктивных элементов резонансного передающего трансформатора, обоснованы параметры резонансного преобразователя напряжения для питания светодиодных светильников и блока управления системой освещения.

Для электрического освещения птицеводческих помещений нами разработано электрооборудование на основе светодиодных светильников. В состав этого оборудования входят светодиодные светильники мощностью 1, 4.5 и 6.5 Вт в зависимости от типа помещения и высоты потолков, передающие резонансные преобразователи напряжения мощностью до 1,5 кВт (рис.14) и блок управления (рис.15) для включения - выключения светильников по заданной программе и плавным управлением генератором частоты.

Преобразователь напряжения с резонансным трансформатором, блок управления и автоматические выключатели устанавливаются в щите. Для электрической безопасности, линии электропередачи между преобразователем напряжения и светильниками изготавливаются на основе экранированного кабеля РК.

Одним из основных элементов резонансной передачи электроэнергии является резонансный повышающий трансформатор. Резонансный трансформатор представляет собой LC - контур (поз.3 рис.13), в котором катушка индуктивности имеет две обмотки, первичная предназначена для получения высокого напряжения повышенной частоты из низкого напряжения а вторичная для гальванической развязки преобразователя напряжения и светильников.



Рис.11. Зависимость тока светильника от изменения резонансной частоты, регулировка освещенности, зависимость тока светильника от напряжения линии электропередачи

За счет явления резонанса напряжений и высокой добротности LC контура в первичной обмотке входное напряжение повышается в несколько раз. При этом, у данного трансформатора совместно с батареей конденсаторов имеется собственная резонансная частота, немного превышающая резонансную частоту всей системы, включающей приемо-передающее оборудование и линию электропередачи. КПД такой схемы питания светильников составляет 90…95 %. Уровень освещенности регулируется изменением частоты, при отстраивании её от резонансной уменьшается передаваемая мощность (рис.11).

Разрабатываемый в настоящей работе резонансный трансформатор основан на идеях Н.Тесла, получивших свое дальнейшее развитие на основе современных материалов, а так же достижений науки и техники. Для уменьшения массо-габаритных размеров конструкция резонансного трансформатора имеет ферритовый сердечник.

Трансформатор состоит из пластикового каркаса, на котором намотаны две обмотки (рис. 12). Входная обмотка выполнена медным проводом, имеющим сечение 10 мм2, выходная обмотка - медным проводом, имеющим сечение 1 мм2. Между обмотками проложена диэлектрическая изоляция.



Рис.12. Конструкция трансформатора: 1 - выходная обмотка; 2 - первичная обмотка; 3 - ферриты ПК-40?18; 4 - воздушный зазор 3 мм

Табл. 3. Технические характеристики трансформатора

Входное напряжение - 125 В Напряжение в резонансе - 950 В Собственная резонансная частота - 9,5 кГц Емкость батареи конденсаторов - 0,2 мкФ	Максимальная мощность - 1500 Вт Выходное напряжение - до 200 В Габаритные размеры - 160?140?60мм Масса - 1,5 кг

Резонансная светодиодная регулируемая система освещения (рис.13) птичника работает следующим образом:

Рис.13. Функциональная схема резонансной системы освещения со светодиодными светильниками

От источника питания 11 электрическая энергия подается на преобразователь частоты 2, напряжение с повышенной частотой от него подается на вход резонансного трансформатора 3, с выходной обмотки которого снимается напряжение и подается в линию электропередач 4.

Напряжение линии электропередачи подается через ограничивающую ток емкость на цепи светодиодов, в каждой цепи может быть установлены параллельно или последовательно от одного до нескольких светодиодов 8, напряжение, подаваемое на светодиоды выпрямляется мостом 7. Блок управления 1 регулирует частоту преобразователя частоты 2. С резонансного трансформатора может сниматься сигнал обратной связи 9, при помощи которого преобразователь частоты ограничивает выходное напряжение в случае обрыва линии электропередачи. Для задания необходимого тока светодиодов, светильники имеют обратные преобразователи, на основе реакторов, емкостного 12 или индуктивного 13.

Рис.14. Резонансный преобразователь напряжения мощностью 1500 Вт

Для светодиодной системы освещения разработан универсальный микропроцессорный блок управления (рис.15). Универсальный микропроцессорный блок управления имеет в составе таймер на весь цикл выращивания и блок ступенчатого управления передающим преобразователем напряжения.



Рис. 15. Универсальный блок управления резонансной системой освещения сельскохозяйственных помещений и алгоритм работы

В функции блока управления входит: включение-выключение системы освещения в заданное время дня в течение года; плавное включение и выключение в течение 45 - 60 сек, при этом уровень освещенности плавно меняется в 16 раз; выбор 5-ти уровней максимальной освещенности от 20 % до 100 %. При этом программирование осуществляется как с клавиатуры блока управления, так и с подключаемого к нему компьютера. Все режимы работы и текущее время отображается на графическом дисплее. Основные программные блоки Т1 - таймер включения, T2 - выдержка, С1 - счетчик дней, Т3 - блок задержки «Рассвет-закат», Е1 - корректор выдержки, Е2 - корректор времени включения, G1 - корректор максимальной освещенности, ПЧ - преобразователь частоты. Так же разработаны блоки управления освещением от внешнего таймера.

В четвёртой главе «Производственные испытания и внедрение резонансной системы освещения» приведены результаты испытаний и дана оценка экономической эффективности применения резонансной светодиодной системы освещения.

Лабораторные испытания были проведены в ГНУ ВИЭСХ для измерения основных параметров.

Табл. 4 Результаты лабораторных испытаний

Напряжение в линии освещения - 50…200 В Резонансная частота - 8 кГц Диапазон изменения частоты - 6…20 кГц	Диапазон изменения мощности светильников - 4…100 %; Световой поток светильников 6,5 Вт, - 520лм

Производственные испытания резонансной системы освещения проведены в птицеводческих хозяйствах ГУП ППЗ «Птичное» Россельхозакадемии, ФГУП ППЗ «Кучинский» Россельхозакадемии (рис.17) и экспериментальном птичнике ГНУ ВНИИВСГЭ Россельхозакадемии.

В ходе производственных испытаний системы подтверждены:

- необходимая комплектация резонансной системы освещения;

- зоогигиенические показатели;

- проверена надежность осветительного оборудования;

- снижение потребляемой электроэнергии;

- влияние на продуктивность птицы.

Полученные результаты производственной апробации разработанной светодиодной системы освещения с целью замены существующих систем освещения свидетельствуют о высокой эффективности и экономичности.

Для освещения клеток размером 1х2м достаточно двух светодиодных светильников мощностью 1 Вт установленных снаружи клетки с разных сторон по диагонали.

Для освещения отсеков размером 6?5 м с напольным содержанием необходимо установить 4 светодиодных светильника мощностью 6,5 Вт на высоте 2,4 м в каждом отсеке, при этом обеспечивается равномерное освещение. Экономия электроэнергии новой системы освещения птичника размером 70?7 м за 113 дней составила 1025 кВт•ч, при этом средний уровень рабочей системы освещения увеличился с 18,8 до 30,0 лк.



Рис .16. Резонансная система освещения цеха для содержания птицы

Птицефабрика «Кучинская»

За период выращивания птицы сохранность и привесы птицы сохранились на прежнем уровне. Яйценоскость птицы повысилась на 4,2 %.

Экономический эффект.

Для замены действующей системы освещения птичника размером 70?7 м на люминесцентных лампах предлагается два варианта: базовый вариант, на основе светодиодных ламп, аналогичных светильникам ЛПО 2х36Вт с системой «Рассвет-закат» и разработанная нами система. Сравнительный расчет экономической эффективности обеих систем (табл.4.) показал, что, срок окупаемости нашей системы в 2 раза меньше.

Сумма инвестиций для замены действующей системы освещения на нашу светодиодную систему освещения с резонансным источником питания и системой «Рассвет-Закат» составляет 49584 рублей и включает в себя:

· стоимость осветительного оборудования -15840 руб.;

· передающий преобразователь -10000 руб.;

· затраты на проектные работы -5904 руб.;

· затраты на монтаж и ввод в эксплуатацию осветительного оборудования и системы управления освещением с функцией «Рассвет - Закат» 15640 руб.;

· затраты на строительно-монтажные работы -12150 руб.

Табл. 5. Сравнение двух светодиодных систем освещения птичника

Показатель	Базовый вариант, на основе светодиодных ламп, аналогичных светильникам ЛПО 2х36Вт	Светодиодная система освещения с резонансным источником питания	Разница
Стоимость светильника, руб	2242	360	-
Кол-во светильников	11	44
Стоимость всех светильников, руб	24662	15840	8822
Потребляемая мощность системы освещения, кВт	0,396	0,308	0,088
Сумма инвестиций, руб	86 219,58	49583,96	36635,62
Срок окупаемости, лет	4,2	2,3	1,9
Годовой экономический эффект денежных средств, руб	17910	19966	2056

По результатам технико-экономического расчета срок окупаемости вложенных инвестиций замены действующей энергосберегающей системы освещения на основе люминесцентных ламп на нашу систему освещения составляет 2,3 года (рис.18). Малый срок окупаемости обуславливает высокую экономическую эффективность капиталовложений. Годовой экономический эффект составляет 20000 рублей. Расход электроэнергии снижается с 5319 кВт•ч до 1798 кВт•ч за 1 год.



Рис.17. Эффект от внедрения новой системы освещения

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ современных систем освещения птицеводческих помещений позволил обосновать актуальность применения энерго-ресурсосберегающей системы искусственного освещения на основе светодиодных источников света с резонансной системой питания с функцией плавного включения-выключения «Рассвет - Закат».

2. Разработана математическая модель, позволяющая обосновать контролируемые и регулируемые параметры тепловых режимов работы светодиодов в светильниках, на основе которой рассчитана конструкция светодиодных светильников, в которой максимальная температура кристаллов составляет +57?С, при этом, срок службы светодиодов составит 70000 часов.

3. Разработана система освещения для птицеводческих помещений различного размера с клеточным и напольным содержанием птицы, в состав которой входят: светильники мощностью 1, 4.5 и 6,5 Вт; передающие резонансные преобразователи мощностью 300, 500 и 1500 Вт; алгоритм работы и блоки управления с системой «Рассвет - Закат» с временем плавного включения до 45 сек, выключения до 60 сек, со встроенным микропроцессором или внешним управлением от штатного таймера.

4. В результате испытаний в птицеводческих хозяйствах установлено, что применение данной системы освещения сокращает расход электроэнергии на освещение в 3 раза по сравнению с системой на основе люминесцентных ламп. Производственные испытания показали, что для освещения птичников с напольным содержанием потребляемая мощность данной системы освещения составляет 0,5…0,8 Вт/м2, для птичника размером 7х70 м, с учетом КПД передающего преобразователя потребляемая мощность составляет 308 Вт. Применение энерго-ресурсосберегающей системы освещения повысило яйценоскость птицы на 4,2 %.

5. Экономический расчет замены действующей энергосберегающей системы освещения на люминесцентных лампах показал, что срок окупаемости новой системы освещения составляет менее 2,3 года. Годовой экономический эффект, в птичнике размером 70?7 м, составляет 20000 рублей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

В изданиях из перечня ВАК:

1. Михалев А.А. Электрооборудование для резонансной системы освещения. [Текст] / Стребков Д.С., Некрасов А.И., Юферев Л.Ю., Рощин О.А., Михалев А.А.// Энергобезопасность и энергосбережение. 2009. № 4. с. 22-25.

2. Михалев А.А. Резонансные системы светодиодного освещения. [Текст] Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин О.А., Михалев А.А. // Достижения науки и техники АПК. 2009. № 10. с. 20-21.

3. Михалев А.А. Применение энерго-ресурсосберегающей системы освещения и УФ облучения помещений для содержания птицы. [Текст] Юферев Л.Ю., Баранов Д.А., Михалев А.А. // Механизация и электрификация сельского хозяйства №2 2012 с.19-21

4. Михалев А.А. Регулируемая система освещения (варианты) [Текст] / Юферев Л.Ю., Прокопенко А.А., Алферова Л.К., Рощин О.А., Михалев А.А., Соколов А.В., Юферева А.А., Харченко Н.В. // патент на полезную модель RUS 120307 28.12.2011

В изданиях:

5. Михалев А.А. Модернизированная энергоэффективная система освещения животноводческих помещений. [Текст] / Юферев Л.Ю., Михалев А.А., Соколов А.В., Буднев В.Н. // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2011. Т. 22. № 2. с. 234-238.

6. Михалев А.А. Резонансные системы светодиодного освещения. [Текст] Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин О.А., Михалев А.А. // Вестник ВИЭСХ. 2012. Т. 1. № 6. с. 26-30.

7. Михалев А.А. Применение энерго-ресурсосберегающей системы освещения и уф-облучения помещений для содержания птицы. [Текст] / Юферев Л.Ю., Баранов Д.А., Михалев А.А. // Труды международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». 2012. Т. 3. с. 180-184.

8. Михалев А.А. Энерго-ресурсосберегающая система освещения птицеводческих помещений. [Текст] / Михалев А.А., Юферев Л.Ю. // Инновации в сельском хозяйстве. 2012. № 1 (1). с. 4-9.

9. Михалев А.А. Аналитический расчёт теплового режима светодиодного светильника. [Текст] / Михалев А.А., Юферев Л.Ю. // Вестник ВИЭСХ. 2013. № 2 (11). С. 45-47.

10. Михалев А.А. Экономическая эффективность резонансной системы освещения животноводческих и птицеводческих помещений. [Текст] / Юферев Л.Ю., Михалев А.А., Юферева А.А. // Материалы II международной научно-практической конференции «Молодежная наука - как взгляд в будущее» Оренбург 22 апреля 2011 г. с. 142-145.

11. Михалев А.А. Применение резонансной энерго-ресурсосберегающей системы освещения в птицеводческих помещениях. [Текст] / Юферев Л.Ю., Михалев А.А., Соколов А.В., Прошкин Ю.А. // Международная научно-практическая конференция молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И ИННОВАЦИИ 2011» Беларусь, Горки 25-27 мая 2011 г. Доклад №28 с.75-78

12. Михалев А.А. Однопроводниковые пожаробезопасные системы электрического освещения. [Текст] / Стребков Д.С. Некрасов А.И. Рощин О.А. Михалев А.А.// Сборник трудов 8-й международной специализированной выставки «Пожарная безопасность 21 в». 2009г.

13. Михалев А.А. Резонансные системы светодиодного освещения. [Текст] / Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Рощин О.А., Михалев А.А. // 10-я юбилейная специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» Сборник научных трудов и инженерных разработок. Москва. 2009г.

14. Михалев А.А. Применение резонансной системы электроснабжения для систем освещения. [Текст] / Некрасов А.И., Рощин О.А., Соколов А.В., Михалев А.А. // Конференция Научно-образовательного центра по энергосбережению и возобновляемым источникам энергии (ЦЭВИ). РГАЗУ 2010г.

15. Михалев А.А. Микропроцессорный блок управления резонансной системой освещения, [Текст] / Юферев Л.Ю., Михалев А.А, Инновации в сельском хозяйстве. 2013. № 1 (3). с. 8-11.

Размещено на Allbest.ru

...