УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧНОСТИ ИСКУССТВЕННОЙ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Полезная модель относится к системам управления, в которых режимы работы для достижения заданного критерия выбираются с использованием моделирующих устройств, а так же к системам распределения энергии в энергетических системах.
Известно понятие искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) как совокупности энергетических установок, энерготехнологических процессов (ЭТП) и аппаратов, биологических объектов, применяемых в отраслях АПК для проведения требуемых технологических операций по получению и переработки исходного сырья в промежуточные и конечные продукты потребления. Эти процессы относятся к энергоемким, оптимизация их проведения требует наличия соответствующей модели, учитывающей параметры входящих в систему объектов [Ракутько С.А. Энергетическая оценка и оптимизация биотехнических сельскохозяйственных систем // Вестник РАСХН-2009. - №4. - С. 89-92].
Для снижения воздействия на окружающую среду проводимых ЭТП необходимым является возможность моделирования как энергоэффективности, так и экологичности ИБЭС.
Известно устройство для моделирования энергетической системы, содержащее источник (1) потока вещества, источник (2) потока энергии, счетчик (4) потока энергии, блок (5) рекуперации энергии, блок (6) энергетических параметров, счетчик (13) потока вещества, при этом выход источника (2) потока энергии соединен с первым входом счетчика (4) потока энергии, второй вход которого соединен с выходом блока (5) рекуперации энергии, а выход соединен с входом блока (6) энергетических параметров. Параметры энергетической системы определяются блоками ЭТП различного назначения, на входы которых подают потоки вещества и энергии, при этом на одном из выходов формируется поток полезной продукции, фиксируемый счетчиком (13) потока вещества [Карпов, В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений / В.Н. Карпов. - СПб.: СПбГАУ, 2005. - 137 с].
Недостатки известного технического решения:
1. Отсутствует возможность фиксации величины потока вещества;
2. Отсутствует возможность фиксации величин потоков потерь энергии и вещества;
3. Структурой модели не предусмотрено выделение в составе ЭТП блоков преобразования энергии и вещества;
4. Не предусмотрена возможность задания технологических параметров ЭТП.
Наиболее близким техническим решением является иерархическая информационная модель ИБЭС, содержащая источник (1) потока вещества, источник (2) потока энергии, первый счетчик (3) потока вещества, первый счетчик (4) потока энергии, блок (5) рекуперации энергии, блок (6) энергетических параметров, блок (7) преобразования энергии, второй счетчик (8) потока энергии, блок (12) преобразования вещества и второй счетчик (13) потока вещества, при этом выход источника (1) потока вещества соединен с входом первого счетчика (3) потока вещества, выход которого соединен с входом блока (12) преобразования вещества, первый выход которого соединен с входом второго счетчика (13) потока вещества, выход источника (2) потока энергии соединен с первым входом первого счетчика (4) потока энергии, второй вход которого соединен с выходом блока (5) рекуперации энергии, вход которого соединен с выходом второго счетчика (8) потока энергии, вход которого соединен с вторым выходом блока (7) преобразования энергии, первый вход которого соединен с выходом блока (6) энергетических параметров [Пат. РФ №2562421 «Иерархическая информационная модель искусственной биоэнергетической системы» / Ракутько С.А. Заявка на изобретение №2014103138/08 (004745) от 29.01.2014].
Недостатки известного технического решения:
1. Отсутствует возможность фиксации величины потока энергии, направленной на получение полезной продукции;
2. Отсутствует возможность фиксации величины потерь потока вещества;
3. Отсутствует возможность учета возвращаемого в технологический процесс количества вещества за счет его более полного использования;
4. Не предусмотрена возможность задания технологических параметров ЭТП;
5. Отсутствует возможность оперативной обработки информации и ее отображения.
6. Отсутствуют датчики режимов ЭТП, что не позволяет произвести его оптимизацию по критерию энергоэкологичности;
7. Состав блоков и структура их связей ограничивает возможности моделирования параметров энергоэкологичности ИБЭС.
Задача полезной модели - создание технического решения, представляющего собой устройство, моделирующее параметры как энергоэффективности, так и экологичности ИБЭС.
Технический результат - обеспечение возможности моделирования параметров энергоэкологичности ИБЭС.
Технический результат достигается тем, что устройство для моделирования параметров энергоэкологичности ИБЭС, содержит источник (1) потока вещества, источник (2) потока энергии, первый счетчик (3) потока вещества, первый счетчик (4) потока энергии, блок (5) рекуперации энергии, блок (6) энергетических параметров, блок (7) преобразования энергии, второй счетчик (8) потока энергии, блок (12) преобразования вещества, второй счетчик (13) потока вещества, третий счетчик (9) потока энергии, блок (10) рекуперации вещества, блок (11) технологических параметров, третий счетчик (14) потока вещества, блок (15) датчиков параметров, арифметико-логическое устройство (16) и устройство (17) отображения информации, при этом выход источника (1) потока вещества соединен с первым входом первого счетчика (3) потока вещества, выход которого соединен с вторым входом блока (12) преобразования вещества, первый выход которого соединен с входом второго счетчика (13) потока вещества, выход источника (2) потока энергии соединен с первым входом первого счетчика (4) потока энергии, второй вход которого соединен с выходом блока (5) рекуперации энергии, вход которого соединен с выходом второго счетчика (8) потока энергии, вход которого соединен с вторым выходом блока (7) преобразования энергии, первый вход которого соединен с выходом блока (6) энергетических параметров, выход первого счетчика (4) потока энергии соединен с вторым входом блока (7) преобразования энергии, первый выход которого соединен с входом третьего счетчика (9) потока энергии, выход которого соединен с третьим входом блока (12) преобразования вещества, с первым входом которого соединен выход блока (11) технологических параметров, а второй выход соединен с входом третьего счетчика (14) потока вещества, выход которого соединен с входом блока (10) рекуперации вещества, выход которого соединен с вторым входом первого счетчика (3) потока вещества, выходы всех счетчиков и блока (15) датчиков параметров соединены с соответствующими входами арифметико-логического устройства (16), выход которого соединен с входом устройства (17) отображения информации.
Новые существенные признаки: устройство дополнительно содержит третий счетчик (9) потока энергии, блок (10) рекуперации вещества, блок (11) технологических параметров, третий счетчик (14) потока вещества, блок (15) датчиков параметров, арифметико-логическое устройство (16) и устройство (17) отображения информации, при этом выход первого счетчика (4) потока энергии соединен с вторым входом блока (7) преобразования энергии, первый выход которого соединен с входом третьего счетчика (9) потока энергии, выход которого соединен с третьим входом блока (12) преобразования вещества, с первым входом которого соединен выход блока (11) технологических параметров, а второй выход соединен с входом третьего счетчика (14) потока вещества, выход которого соединен с входом блока (10) рекуперации вещества, выход которого соединен с вторым входом первого счетчика (3) потока вещества, выходы всех счетчиков и блока (15) датчиков параметров соединены с соответствующими входами арифметико-логического устройства (16), выход которого соединен с входом устройства (17) отображения информации.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат обеспечивается тем, что:
1. Устройство дополнительно содержит третий счетчик (9) потока энергии, вход которого соединен с первым выходом блока (7) преобразования энергии, а выход с третьим входом блока (12) преобразования вещества, что обеспечивает возможность фиксации величины потока энергии, направленной на получение полезной продукции;
2. Устройство дополнительно содержит третий счетчик (14) потока вещества, вход которого соединен с вторым выходом блока (12) преобразования вещества, а выход с входом блока (10) рекуперации вещества, что обеспечивает возможность фиксации величины потерь потока вещества;
3. Устройство дополнительно содержит блок (10) рекуперации вещества, вход которого соединен с выходом третьего счетчика (14) потока вещества, а выход с вторым входом первого счетчика (3) потока вещества, что обеспечивает возможность учета возвращаемого в технологический процесс количества вещества за счет его более полного использования;
4. Устройство дополнительно содержит блок (11) технологических параметров, выход которого соединен с первым входом блока (12) преобразования вещества, что обеспечивает возможность задания технологических параметров ЭТП при моделировании;
5. Устройство дополнительно содержит арифметико-логическое устройство (16), соответствующие входы которого соединены с выходами всех счетчиков и блока (15) датчиков параметров и устройство (17) отображения информации, вход которого соединен с выходом арифметико-логического устройства (16), что обеспечивает возможность оперативной обработки информации и ее индикацию.
6. Устройство дополнительно содержит блок (15) датчиков параметров, характеризующих ЭТП, выход которого соединен с соответствующим входом арифметико-логического устройства (16), что обеспечивает возможность оптимизации режимов проводимого ЭТП по критерию энергоэкологичности;
7. Состав блоков и структура их связей обеспечивает возможности моделирования параметров энергоэкологичности ИБЭС.
Возможность использование предлагаемой полезной модели в системах управления, при моделировании и оптимизации параметров ИБЭС, известность программно-аппаратных методов и средств, с помощью которых возможна реализация отдельных блоков модели и ее структуры в целом в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил устройство того же назначения, что и предлагаемое техническое решение, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы существенные признаки, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
н
н
к
к
i
m
m
На фиг. 1 показана структура устройства: 1 - источник потока вещества (ИПВ); 2 - источник потока энергии (ИПЭ); 3 - первый счетчик потока вещества M; 4 - первый счетчик потока энергии Q; 5 - блок рекуперации энергии (БРЭ); 6 - блок энергетических параметров η; 7 - блок преобразования энергии (БПЭ); 8 - второй счетчик потока энергии ΔQ; 9 - третий счетчик потока энергии Q; 10 - блок рекуперации вещества (БРВ); 11 - блок технологических параметров ν; 12 - блок преобразования вещества (БПВ); 13 - второй счетчик потока вещества M; 14 -третий счетчик потока вещества ΔM, 15 - блок датчиков параметров X 16 - арифметико-логическое устройство (АЛУ), 17 - устройство отображения информации (УОИ).
н
к
н
к
На фиг. 2 показана работа устройства с выделением уровней иерархии происходящих процессов и указанием потоков энергии и вещества: ОС - окружающая среда, ИБЭС - искусственная биоэнергетическая система, ЭТП - энерготехпологический процесс, Q, Q, ΔQ - потоки энергии, соответственно подаваемые на вход БПЭ, полезно используемые в БПВ и составляющие энергетические потери; M, M, ΔM - потоки вещества, соответственно подаваемые на вход БПВ, являющиеся полезной продукцией и составляющие потери вещества.
н
н
н
э
опт
На фиг. 3 показаны результаты оптимизации проведения ЭТП по критерию энергоэкологичности: X=f(Q) - семейство зависимостей величины параметра X от потока энергии Q, подаваемой на вход БПЭ при различных значениях потока вещества M, подаваемого на вход БПВ. K=f(X) - семейство зависимостей коэффициента энергоэкологичности от величины параметра X, полученных при тех же режимах проведения ЭТП;  - максимальные значение коэффициента энергоэкологичности, достигаемые при величине параметра X в соответствующих режимах проведения ЭТП.
В основе полезной модели лежат следующие положения. Научной основой предлагаемого устройства является прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП), описывающая энергетику ИБЭС с учетом ее многоуровневости и закономерностей взаимодействия сельскохозяйственных биологических объектов с искусственной средой обитания [Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: основные положения и практическая значимость // Известия РАН. Энергетика. - 2009. - №6. - С. 168-175].
Процессы, протекаемые в сложных сельскохозяйственных ИБЭС, могут быть сведены к определенному набору типовых процессов преобразования энергии и переноса вещества, происходящих в отдельных объектах, составляющих систему.
н
н
к
Входные потоки делятся на материальные M, подаваемые на вход БПВ, и энергетические Q, подаваемые на вход БПЭ. Материальные потоки связаны с преобразованием исходного сырья в процессе производства готовой продукции. Энергетические потоки учитывают все используемые виды энергоресурсов (топливо, электроэнергия, возобновляемые источники и т.д.). Выходные потоки формируются из полезной продукции M, потерь вещества ΔM (отходы, выбросы, сбросы) и энергетических потерь ΔQ.
Математическая модель описания процессов в ИБЭС опирается на следующие основные соотношения. Закон сохранения энергии
Закон сохранения вещества
Энергоемкость процесса, отн. ед.
-1
Удельная энергоемкость, отн. ед.·г
-1
Энергоемкость продукции, Дж·г
-1
Энергоемкость сырья, Дж·г
Теоретически возможный выход продукции, отн. ед.
н
где  - максимальный поток продукции при потоке исходного сырья М.
Фактический выход продукции, отн. ед.
Коэффициент отходоемкости потоков вещества, отн. ед.
Коэффициент экологичности, отн. ед.
Теоретически возможный КПД процесса, отн. ед.
н
где  - максимальный поток полезно используемой энергии при потоке потребляемой энергии Q.
Фактический КПД, отн. ед.
Коэффициент отходоемкости потоков энергии, отн. ед.
Коэффициент энергоэффективности, отн.ед.
Коэффициент энергоэкологичности, отн. ед.
Связь между коэффициентом экологичности и параметрами энергоэффективности следующая
э
m
m
Следовательно, максимальная энергоэкологичность (K=1, при ν=1 и η=1) наблюдается при соблюдении соотношения
э
П
M
с
i
m
m
Задаваясь допустимым значением величин K, ν, η становится возможным определение набора ε, ε и ε, при которых достигается заданное значение коэффициента энергоэкологичности. Сопоставление найденного значения с набором параметров X позволяет произвести оптимизацию проводимых ЭТП по заданному критерию.
Устройство для моделирования состоит из совокупности соединенных между собой блоков (фиг. 1). Источник (1) потока вещества и источник (2) потока энергии своими выходами соединены с первыми входами первых счетчиков (3) потока вещества и (4) потока энергии соответственно. Их выходы соединены с вторыми входами блока (12) преобразования вещества и блока (7) преобразования энергии, первые входы которых соединены с выходами блока (6) энергетических параметров и блока (11) технологических параметров соответственно. Первый выход блока (12) преобразования вещества соединен с входом второго счетчика (13) потока вещества, а первый выход блока (7) преобразования энергии через третий счетчик (9) потока энергии соединен с третьим входом блока (12) преобразования вещества. Второй выход блока (7) преобразования энергии через последовательно соединенные второй счетчик (8) потока энергии и блок (5) рекуперации энергии соединен с вторым входом первого счетчика (4) потока энергии. Второй выход блока (12) преобразования вещества через последовательно соединенные второй счетчик (13) потока вещества и блок (10) рекуперации вещества соединен с вторым входом первого счетчика (3) потока вещества. Выходы всех счетчиков и блока (15) датчиков параметров соединены с соответствующими входами арифметико-логического устройства (16), выход которого соединен с входом устройства (17) отображения информации.
Конструктивно блоки модели реализованы программно-аппаратно, используя известные схемотехнические решения цифровой логики, микропроцессорных средств с программным обеспечением или аналогового моделирования.
н
н
н
н
к
к
m
m
Работа устройства осуществляется следующим образом (фиг. 2). Источник (1) потока вещества и источник (2) потока энергии формируют соответствующие сигналы, которые поступают на первые входы счетчиков (3) и (4), фиксирующих значения соответственно потоков вещества M и энергии Q. Поток вещества M поступает на второй вход блока (12) преобразования вещества. На первый вход этого блока подают сигнал, соответствующий величине теоретически возможного выхода продукции ν от блока (11) технологических параметров. Поток энергии Q поступает на второй вход блока (7) преобразования энергии. На первый вход этого блока подают сигнал, соответствующий величине теоретически возможного КПД η от блока (6) энергетических параметров. Величину полезно используемого потока Q, подаваемого па третий вход блока (12) преобразования вещества, фиксируют третьим счетчиком (9) потока энергии. Величины потерь вещества ΔM и энергии ΔQ фиксируют соответственно счетчиками (14) и (8) и подают на входы блоков (10) рекуперации вещества и (5) энергии, с которых сигналы, соответствующие количествам повторно используемым потокам вещества и энергии, подают на вторые входы счетчиков (3) и (4). Величину потока полезной продукции M фиксируют счетчиком (13). Режимы проведения ЭТП фиксируют с помощью блока (15) датчиков параметров. Вычисления показателей энергоэкологичности производят с помощью арифметико-логического устройства (16) с индикацией на устройстве (17) отображения информации.
Пример 1. В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИА-ЭП (Санкт-Петербург) проводили эксперименты по выращиванию салата под индукционной лампой. Использованное в эксперименте оборудование и измерительные приборы представляют собой натурную модель ИБЭС, биологическими объектами в которой являются выращиваемые растения, техническими средствами - оборудование для выращивания растений. В процессе фотосинтеза происходит преобразование потоков вещества под действием потоков лучистой энергии от источников излучения. Единицей измерения потока источников является количество фотонов (моль) излучаемых в секунду.
m
-3
-1
-3
-1
m
-1
-1
н
к
н
к
Исходные данные, полученные в результате экспериментов: теоретически возможный выход продукции ν=0,91; поток исходных веществ M=9,44·10 г·с; поток готовой продукции M=8·10 г·с; теоретически возможный КПД процесса η=0,86; поток излучения от источников Q=1680 мкмоль·с; поток излучения на поверхность Q=1146 мкмоль·с.
ф
-3
-3
-3
-3
-3
-1
ф
-1
-3
-1
-6
-3
-1
-6
-3
-1
П
уд
М
с
э
Численные значения показателей энергоэффективпости и экологичности светокультуры по результатам работы устройства: фактический выход продукции ν=8·10/9,44·10=0,85 отн. ед.; коэффициент экологичности  отн. ед.; потери потока вещества ΔM=9,44·10-8·10=1,4410г·с=; коэффициент отходоемкости потоков вещества  отн. ед.; фактический КПД η=1146/1680=0,68 отн. ед.; потери потока излучения ΔQ=1680-1146=534 мкмоль·с; энергоемкость процесса облучения ε=1680/1146=1,47 отн. ед.; удельная энергоемкость ε=1,47/8·10=183 отн. ед.·г; энергоемкость продукции светокультуры ε=1146·10/8·10=0,14 моль·г; энергоемкость сырья ε=1680·10/9,44·10=0,18 моль·г; коэффициент энергоэффективности  отн. ед.; коэффициент энергоэкологичности светокультуры K=0,93 0,79=0,74 отн. ед.
н
н
э
э
н1
н1
н2
н2
н3
н3
э
опт
Пример 2. В целях оптимизации некоторого ЭТП по критерию энергоэкологичности с помощью заявляемого устройства при различных значениях потока вещества M, подаваемого на вход БПВ, получены зависимости величины параметра X (в качестве которого могут выступать температура, влажность, облученность) от потока энергии Q, подаваемого на вход БПЭ (фиг. 3). Для этого же ЭТП получены зависимости коэффициента энергоэкологичности K от величины параметра X в виде функций K=f(X). Полученные данные позволяют выявить сочетания значений потоков вещества и энергии (M, Q), (M, Q) и (M, Q), при которых наблюдаются локальные и глобальный оптимумы (максимумы) значения коэффициента энергоэкологичности K и соответствующие им величины параметра X.
Таким образом, с помощью заявляемого устройства возможно моделирование и оптимизация параметров энергоэкологичности, а так же управление энергоэффективностью и экологичностью системы.
Удобство и наглядность представления потоков вещества и энергии, их взаимосвязи с параметрами модели ИБЭС позволяет использовать предлагаемое устройство в научных исследованиях, при проведении энергоэкоаудита, в учебном процессе аграрного вуза при обучении теоретическим основам энергосбережения.