ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наиболее активно развиваются инновационные технологии в области электроэнергетики и электрификации мобильных процессов в отраслях, в том числе АПК [1–3], на базе:
- солнечных аэрокосмических энергетических комплексов с 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;
- многофункциональных энерготехнологических комплексов (МЭК) гибридной генерации, которые являются основой автономных систем энергоснабжения и используют все многообразие местных энергетических ресурсов;
- мобильных многофункциональных энерготехнологических комплексов на основе новых 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.
МЭКи гибридной генерации и мобильные комплексы являются наиболее мощными потребителями энергоресурсов соответственно в отраслях ТЭК и АПК. Однако в части оценок их энергетической и экологической эффективности использования энергоресурсов недостаточно изучены. Так как МЭКи гибридной генерации, мобильные и аэрокосмические, направлены на производство электроэнергии, тепла и сельскохозяйственной продукции, то 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 МЭКа: мобильный, гибридной генерации или аэрокосмический. В этой статье предлагаем рассмотрение тягово-энергетической концепции создания мобильных многофункциональных энерготехнологических комплексов и разработку общих технических требований к мобильным МЭК.
Анализ существующих конструктивно-компоновочных схем мобильных технологических агрегатов (МТА) показал, что они практически исчерпали свои возможности дальнейшего существенного повышения техникоэкономических 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, снижение эксплуатационных расходов, улучшение топливной экономичности; увеличение удельной мощности, расширение многотопливных свойств, расширение применения электроники, то можно сделать выводы, 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 (МЭК), 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 модульной 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 — широко доступные альтернативные ВИЭ, которые могут быть получены с использованием современных источников энергии. Биодизель, биоэтанол, биометан, являются энергетическими ресурсами, полученными 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 комплекс в зависимости от размеров поля и требуемой производительности. Такая концепция развития мобильных средств позволяет гибко изменять конструкивно-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 на базе огромное их разнообразие. Однако преимущественное распространение получили мобильные комплексы на базе ДВС, работающих на дизельном топливе.
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, оптимизацией 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.
7. Новая тягово-энергетическая концепция развития мобильной техники, позволяющая 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, были сформулированы основные технические требования к мобильным МЭК:
1) многофункциональность;
2) модульная компоновка на основе типизации и конструктивной унификации;
3) многотопливность, энергоэффективность;
4) утилизация сбросового тепла;
5) автономная работа энергетических модулей;
6) согласованность характеристик мобильного энергетического средства (энергетического модуля), технологических модулей и тяговых модулей;
7) возможность параллельной работы мобильного МЭК с энергосистемой;
8) возможность мобильного МЭК быть в качестве резервного источника энергии;
9) обеспечение высокого качества получаемой электрической и тепловой энергии;
10) надежность, ресурс и эффективность функционирования мобильных МЭК;
11) типизация и унификация мобильного парка для отраслей АПК, энергетического оборудования и комплектующих, топлив и моторных масел;
12) топливная экономичность, затраты на техническое обслуживание и ремонт;
13) оптимальное уплотнение движителями почвы;
14) устойчивость движения МЭК;
15) защита окружающей среды при использовании энергетического оборудования;
16) ремонтопригодность;
17) транспортабельность;
18) высокий уровень интеллектуализации и роботизации;
19) демпфирование колебаний в конструкции.
В связи с этим оценка эффективности применения МЭК должна решаться в многокритериальной постановке.
Для решения задачи определения весомости критериев качества конструктивных и функциональных свойств МЭК требуется определить математические модели этих критериев, а в ряде случаев они не поддаются формализации, т. е. установить математические зависимости этих критериев качества от варьируемых параметров невозможно. В этих случаях необходимо проведение экспертного анализа критериев качества.
Программа экспертного анализа заключалась в том, чтобы с помощью нескольких экспертов из 18 групп факторов и 7 функциональных ограничений можно было выбрать с позиций определяющие критериев качества МЭК.
В основу экспертного анализа положена методика расчета коэффициента конкордации по каждой группе факторов как меры согласованности группы экспертов. В качестве экспертов были выбраны ведущие специалисты РФ с научными степенями — от кандидатов технических наук до докторов 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 S — сумма квадратов разности между суммой рангов, присвоенных всеми экспертами каждому фактору, и средним значением сумм рангов всех факторов;
n — число факторов;
m — число экспертов в группе
Rij — ряд в группе после ранжирования по значимости.
Кроме того, коэффициент конкордации Кендалла, или по-другому коэффициент множественной ранговой корреляции, нужен затем, чтобы выявить согласованность мнений экспертов по нескольким факторам.
Для того чтобы определить значимость коэффициента конкордации, найдем критерий согласованности Пирсона.
Анализ полученных данных по определению главных критериев качества позволил определить степень согласованности мнений экспертов. Выявлена слабая степень согласованности мнений экспертов. Однако вычисленный X2 после сравнения с табличным значением для числа степеней свободы K = 17 и при заданном уровне значимости α = 0,05 показал, что рассчитанный W — величина не случайная, а потому полученные результаты имеют смысл, обладают научной новизной и могут использоваться в дальнейших исследованиях.
Анализ результатов экспертной оценки показал, что наиболее значимы три критерия: 1) cовокупные затраты на эксплуатацию МЭК; 2) cуммарные 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 сцепную массу и тяговое усилие по полю, но и снять ограничение на мощность и массу комплекса, которые будут зависеть от его планируемой 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 позволит обеспечить надежность, экологическую, энергетическую и экономическую эффективность, конкурентоспособность на мировом уровне, в разы увеличить производительность труда в АПК, создать рабочие места в сельском хозяйстве, повысить плодородие почвы, снизить негативное воздействие на окружающую среду, значительно уменьшить металлоемкость мобильных комплексов, снизить себестоимость сельхозпроизводства, повысить топливную экономичность, обеспечить население качественной и безопасной пищевой продукцией. Это даст возможность совершить прорыв в экономике АПК и создать предпосылки для освоения более 30,0 млн га пахотной земли.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повсеместное внедрение интеллектуальных МЭК в растениеводстве позволит 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 даст возможность повысить эффективность и надежность интегрированных энергетических систем и изолированных энергорайонов, а также в полном объеме реализовать функционал активного потребителя.