Creation and application of mobile multifunctional energy technology complexes

Full Text

Введение В настоящее время наиболее активно развиваются инновационные технологии в области электроэнергетики и электрификации мобильных процессов в отраслях, в том числе в агропромышленном комплексе (АПК) [1-3]: - на базе солнечных аэрокосмических энергетических комплексов со сверхвысокой частотой (СВЧ) и лазерными магистралями передачи энергии, которые могут обеспечить энергетическую безопасность и надежное энергоснабжение на отдаленных и труднодоступных территориях Сибири, Севера и Дальнего Востока, не охваченных централизованным энергоснабжением; - на базе многофункциональных энерготехнологических комплексов (МЭК) гибридной генерации, которые являются основой автономных систем энергоснабжения и используют все многообразие местных энергетических ресурсов; - на базе мобильных многофункциональных энерготехнологических комплексов, на основе инновационных тягово-энергетической и энергетической концепций развития мобильной техники, которые позволят принципиально новым способом получить энергию и продукты питания, в том числе с использованием фитотронных технологий. МЭК гибридной генерации и мобильные комплексы являются наиболее мощными потребителями энергоресурсов в отраслях ТЭК и АПК соответственно. Однако их энергетическая и экологическая эффективность использования энергоресурсов недостаточно изучена. Поскольку МЭК гибридной генерации, мобильные и аэрокосмические направлены на производство электроэнергии, тепла и сельскохозяйственной продукции, их энергетические и технологические схемы могут быть описаны на основе таких аналитических зависимостей, которые позволят разработать математическую модель обобщенного МЭК. Эта модель в зависимости от внешних условий будет определять тип МЭК: мобильный, гибридной генерации или аэрокосмический. В данном исследовании рассмотрим тягово-энергетическую концепцию создания мобильных многофункциональных энерготехнологических комплексов и разработку общих технических требований к мобильным МЭК. 1. Анализ и выявление первичных требований к мобильным комплексам Анализ существующих конструктивно-компоновочных схем мобильных технологических агрегатов (МТА) показал, что они практически исчерпали возможности дальнейшего существенного повышения технико-экономических показателей. Поэтому повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов МТА путем улучшения использования структуры и совершенствования производственного оборудования становится все более затруднительным. Действительно, основой структуры производственного оборудования МТА в настоящее время является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Следовательно, показатели работы МТА в значительной мере будут зависеть, прежде всего, от эффективности этого звена (модуля). Если проанализировать основные направления совершенствования ДВС: повышение надежности, улучшение экологических показателей и топливной экономичности, снижение эксплуатационных расходов, увеличение удельной мощности, расширение многотопливных свойств и применения электроники, то можно заключить, что возможности его совершенствования уже исчерпаны. Поэтому решение проблем в отраслях АПК надо переносить с традиционной компоновки мобильного агрегата с тяговым принципом передачи энергии к рабочим машинам (технологическим модулям) на тягово-энергетическую концепцию создания таких агрегатов (комплексов). В самом общем виде этой концепции соответствует мобильный многофункциональный энерготехнологический комплекс, использующий все многообразие местных энергетических ресурсов, направленных на удовлетворение нужд населения и производства в электрической энергии, тепле и различных видах моторных топлив. К наиболее высокому уровню развития таких систем можно отнести многофункциональный энерготехнологический комплекс модульного типа. Под многофункциональностью следует понимать возможность такого мобильного МЭК работать на местных топливно-энергетических ресурсах, в том числе на генераторном газе и биотопливах, и вырабатывать различные виды энергии. Ветер, гидроэнергетика и солнечная энергия являются источниками «чистой» электроэнергии, которая впоследствии может храниться в различных формах для кратковременного и длительного использования. Биомасса, солнечная энергия и ветер - широкодоступные альтернативные возобновляемые источники энергии (ВИЭ), которые получают с использованием современных источников энергии. Биодизель, биоэтанол, биометан - энергетические ресурсы, произведенные из экологически чистого и многообещающего источника энергии - биомассы. МЭК представляет собой систему, состоящую из отдельных модулей, конструктивно и функционально совместимых между собой. Комбинации различных функционально и конструктивно согласуемых модулей позволяют получать различные по составу и мощности мобильные комплексы в зависимости от размеров поля и требуемой производительности. Такая концепция развития мобильных средств позволяет гибко изменять конструктивно-компоновочные решения МЭК в зависимости от внешних условий его эксплуатации. Этот комплекс (система) может состоять из следующих звеньев: «местные энергетические ресурсы - модуль для производства моторного топлива - многотопливный ДВС - элементы системы генерации электроэнергии и тепла - тип трансмиссии - преобразователь частоты - накопитель энергии - многоканальная передача электрической и тепловой энергии - потребитель энергии различной физической природы». Анализ общих конструктивно-компоновочных решений и классификация мобильных МЭК указывают на их огромное разнообразие. Однако преимущественное распространение получили мобильные комплексы на базе ДВС, работающих на дизельном топливе. 2. Основные направления развития МЭК Для достижения высокого качества и надежности функционирования мобильных МЭК необходимо решить проблемы, связанные, прежде всего, с производительностью, многофункциональностью, энергонасыщенностью, металлоемкостью, многотопливностью, экологической безопасностью, снижением эксплуатационных расходов, оптимизацией выбора состава оборудования на стадии проектирования мобильной техники, совершенствованием режимов работы и конструктивно-компоновочных решений мобильной техники по критериям энергетической, функциональной и экономической эффективности. Поэтому важнейшими направлениями развития мобильных средств являются: 1) совершенствование технологии производства различных видов моторных топлив, электрической и тепловой энергии; 2) расширение многотопливных свойств ДВС в составе МЭК; 3) улучшение использования структуры мобильного парка в отраслях АПК; 4) совершенствование отдельных модулей (звеньев) МЭК; 5) оптимизация параметров и режимов работы мобильных комплексов; 6) оптимизация распределения мощностных потоков между потребителями МЭК. Новая тягово-энергетическая концепция развития мобильной техники позволит полностью реализовать общие технические требования в мобильном МЭК решить проблему разработки и внедрения мобильных МЭК. На основе анализа проблем, стоящих перед мобильной техникой в отраслях АПК, сформулированы основные технические требования к мобильным МЭК: 1) многофункциональность; 2) модульная компоновка на основе типизации и конструктивной унификации; 3) многотопливность, энергоэффективность; 4) энергонасыщенность мобильного энергетического средства выше 20 кВт/т; 5) утилизация сбросового тепла; 6) автономная работа энергетических модулей; 7) согласованность характеристик мобильного энергетического средства (энергетического модуля), технологических модулей и тяговых модулей; 8) высокий коэффициент использования времени смены; 9) возможность параллельной работы мобильного МЭК с энергосистемой; 10) возможность применения мобильного МЭК в качестве резервного источника энергии; 11) обеспечение высокого качества получаемой электрической и тепловой энергии; 12) надежность, ресурс и эффективность функционирования мобильных МЭК; 13) типизация и унификация мобильного парка для отраслей АПК, энергетического оборудования и комплектующих, топлив и моторных масел; 14) топливная экономичность, затраты на техническое обслуживание и ремонт; 15) оптимальное уплотнение движителями почвы; 16) устойчивость движения МЭК; 17) защита окружающей среды при использовании энергетического оборудования; 18) ремонтопригодность; 19) транспортабельность; 20) высокий уровень интеллектуализации и роботизации; 21) демпфирование колебаний в конструкции. В связи с этим оценка эффективности применения МЭК должна решаться в многокритериальной постановке. 3. Постановка задачи многокритериальной оптимизации Для решения задачи установления весомости критериев качества МЭК-конструктивных и функциональных свойств МЭК требуется определить математические модели этих критериев. В ряде случаев они не поддаются формализации, то есть найти математические зависимости критериев качества от варьируемых параметров невозможно. Тогда необходимо проведение экспертного анализа критериев качества Программа экспертного анализа заключалась в том, чтобы с помощью группы экспертов из 18 критериев качества и 7 функциональных ограничений выбрать наиболее значимые для оценки эффективности роботизации с позиций критериев качества МЭК. В основу экспертного анализа положена методика расчета коэффициента конкордации по каждой группе факторов как меры согласованности группы экспертов. В качестве экспертов выбраны ведущие специалисты РФ с научными степенями от кандидатов до докторов технических наук, в том числе в звании академиков в области робототехники Федерального научного агроинженерного центра ВИМ, а также специалисты других НИИ и КБ. В экспертизе участвовали независимо друг от друга 30 человек. Степень согласованности мнений группы экспертов по важности факторов в соответствии с поставленной задачей определяет коэффициент конкордации. Он вычисляется по формуле , где сумма квадратов разности между суммой рангов, присвоенных всеми экспертами каждому фактору, и средним значением сумм рангов всех факторов; число факторов; число экспертов в группе. , где ряд в группе после ранжирования по значимости. Кроме того, коэффициент конкордации Кендалла, или коэффициент множественной ранговой корреляции, нужен для того, чтобы выявить согласованность мнений экспертов по нескольким факторам. Чтобы определить значимость коэффициента конкордации, найдем критерий согласованности Пирсона. ; ; ; . Анализ полученных данных позволил определить степень согласованности мнений экспертов, которая оказалась слабой. Однако вычисленный после сравнения с табличным значением для числа степеней свободы K = 17 и при заданном уровне значимости = 0,05 показал, что рассчитанный - величина не случайная, а потому полученные результаты имеют смысл, обладают научной новизной и могут использоваться в дальнейших исследованиях. Анализ результатов экспертной оценки установил, что наиболее значимы три критерия: 1) совокупные затраты на эксплуатацию МЭК; 2) суммарные затраты на технический осмотр и ремонт; 3) энергоэффективность. Очень близки к этой группе факторов оказались производительность и давление движителей на почву. Все выбранные критерии качества и функциональные ограничения играют большую роль при оценке эффективности МЭК с применением многокритериальной постановки задачи. Применение мобильных МЭК даст возможность не только оптимально распределить его сцепную массу и тяговое усилие по полю, но и снять ограничение на мощность и массу комплекса, которые будут зависеть от планируемой его производительности и размеров поля. Большую роль будут играть активные рабочие органы, имеющие электропривод. Это позволит максимально повысить энергонасыщенность комплекса, которая напрямую связана с его производительностью, тягово-сцепными свойствами, металлоемкостью и потерями мощности на самопередвижение. Таким образом, широкомасштабное внедрение мобильных многофункциональных энерготехнологических комплексов для нужд АПК на основе тягово-энергетической концепции обеспечит надежность, экологическую, энергетическую и экономическую эффективность, конкурентоспособность на мировом уровне. В разы увеличится производительность труда в АПК, повысится плодородие почвы, сократиться негативное воздействие на окружающую среду, значительно уменьшится металлоемкость мобильных комплексов, снизится себестоимость сельхозпроизводства, повысится топливная экономичность, что создаст рабочие места в сельском хозяйстве и обеспечит население качественной и безопасной пищевой продукцией. Это позволит совершить прорыв в экономике АПК и заложить предпосылки для освоения более 30,0 млн га пахотной земли. Заключение Повсеместное внедрение интеллектуальных МЭК в растениеводстве даст возможность в кратчайшие сроки освоить и ввести в севооборот десятки миллионов пашен в сельском хозяйстве с минимальными энергетическими и экологическими затратами. Разработка эффективных принципов и способов интеграции МЭК повысит производительность и надежность интегрированных энергетических систем и изолированных энергорайонов, а также поспособствует реализации в полном объеме функционала «активного потребителя».

About the authors

Yury F. Lachuga

Department of Agricultural Sciences of the Russian Academy of Sciences

Email: akadema1907@mail.ru
SPIN-code: 1128-3299
Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Member of the Presidium of the Russian Academy of Sciences, Academician of the Russian Academy of Agricultural Sciences, Academician-Secretary of the Department of Agricultural Sciences, Russian Academy of Sciences 32A Leninsky Prospekt, Moscow, 119334, Russian Federation

Zakhid A. Godzhaev

Federal Scientific Agroengineering Center, All-Union Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: fic51@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1665-3730

Doctor of Technical Sciences, Professor, corresponding member of the Russian Academy of Sciences, Deputy Director

5 1-i Institutskii Proezd, Moscow, 109428, Russian Federation

Ivan Ya. Redko

South Ural State University

Author for correspondence.
Email: redko_iya@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0259-1268

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Electric Power Industry Development Strategy

76 Prospekt Lenina, Chelyabinsk, 454080, Russian Federation

References

Supplementary files