Определение параметров автономного источника питания электроустановки для подкормки рыбы насекомыми

Введение.

В рыбоводческих хозяйствах юга России при выращивании карповых рыба содержится в открытых водоемах, где условия приближены к природным. Для интенсификации производства рыбы увеличивают кратность ее посадки в прудах и осуществляют дополнительную подкормку рыбы. При этом получение полноценной и здоровой рыбы возможно только при сбалансированном ее питании живыми (естественными) и неживыми (искусственными) кормами [1, 6, 8]. В качестве последних часто используют комбикорма, которые не всегда сбалансированы по питательным веществам и при длительном использовании могут вызывать нарушение обмена веществ, возникновению различных заболеваний рыбы [8]. В конечном итоге это отрицательно сказывается на продуктивности прудов и затратах на выращивание рыбы.

Существенно повысить качество кормления рыбы можно путем увеличения в ее рационе доли живых кормов [1, 6]. Перспективно для этой цели использование естественной кормовой базы прудов и местных кормовых ресурсов, в качестве которых могут выступать различные насекомые-фотоксены [7]. Для их привлечения с помощью оптического излучения могут быть использованы специальные электроустановки [3–5].

Очень часто рыбоводческие пруды удалены от системы централизованного электроснабжения и подведение линий электропитания к электроустановкам для подкормки рыбы насекомыми является нецелесообразным и затруднительным, в том числе и по причинам электробезопасности. В качестве автономного источника питания для таких электроустановок используют аккумуляторную батарею, которая заряжается днем от солнечного модуля [2]. Около 50…70% себестоимости электроустановки для подкормки рыбы насекомыми составляет стоимость аккумуляторной батареи и солнечного модуля. Поэтому необходимо тщательно подходить к вопросу расчета параметров автономного источника питания для таких электроустановок.

Материалы и методы исследования.

В разработанной авторами статьи электроустановке для подкормки рыбы насекомые привлекаются оптическим излучением трех мощных RGB -светодиодов, а в качестве поражающего органа используется вентилятор. Применение в качестве источников-аттрактантов светодиодов (СИД) с видимыми излучениями синего, зеленого и красного диапазона позволило повысить эффективность привлечения летающих насекомых и расширить их видовой состав с учетом ресурса полета насекомых [9].

Определение электропотребления разработанной электроустановки возможно на основе упрощенной схемы, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема расчета нагрузок электроустановки

На рисунке 1 приведены: U П – напряжение питания электроустановки от AGM аккумуляторной батареи (АКБ); I GND – ток собственного потребления микросхемы светодиодного драйвера; K R , K G , K B – условное обозначение выходного каскада драйвера

СИД, работающего в ключевом режиме, соответственно для R, G, B кристаллов; KM1 – условное обозначение электронного ключа на полевом транзисторе VT1; ΔUDO – падение напряжения в силовой цепи драйвера СИД при токе 350 мА; ΔUVT1 – падение напряжения на транзисторе VT1 при токе 250 мА; UFR, UFG, UFB – прямое падение напряжения, соответственно, на R, G, B кристалле СИД; IDR , IDG, IDB – действующие значения токов, протекающих через R, G, B кристаллы светодиодов излучателя соответственно; IM1 – номинальный ток электродвигателя M1 вентилятора; URSNS – падение напряжения на измерительных сопротивлениях; Id – ток собственного потребления микросхемы стабилизатора напряжения 78L05; I5 – ток нагрузки потребителей напряжения U5=5 В (микроконтроллер, цифровой датчик температуры и др.).

Ошибка! Закладка не определена. Светодиоды и вентилятор работают только перед рассветом и после заката, в период активного лета насекомых-фотоксенов. Нагрузка стабилизатора напряжения на 5 В включена постоянно. В соответствии с рисунком 1 мощность постоянной нагрузки равна:

P C = U П ( 3 I GND + I d + I 5 ) . ⁽¹⁾

Управление световым потоком светодиода осуществляется с помощью ШИМ тока через светоизлучающий кристалл. За период ШИМ тока средняя мощность переменной нагрузки будет зависеть от режима работы светодиодов излучателя:

^PV = ^U П ^{( 1} DR + I DG + ¹DB + I M 1 ^{) .}

Действующее значение тока определяется через коэффициент D заполнения импульса ШИМ тока:

I d = I f D ,                                      (3)

где    I F – прямой ток через СИД, А.

С учетом последнего выражения мощность переменной нагрузки составит:

P V = U П ^{( I}fr^Dr + ^IFG^DG + ^IFB^DB + ^IM 1 ) •                        ⁽⁴⁾

Общее суточное электропотребление А СУТ разработанной электроустановки для подкормки рыбы насекомыми будет равно следующей сумме:

A СУТ = A C + A V = P C ^T C + P V ^T V ,

где    A C и A V – электропотребление постоянной и переменной нагрузок, Вт∙ч;

τ C =24 ч – время постоянной нагрузки;

τ V – время работы светодиодов и вентилятора, ч.

В соответствии с уравнениями (1) и (4) электропотребление за сутки составит:

A СУТ = U П ^[( 3 ^IGND + ^Id + I 5 ^{) t} C + ^{( I}FR^DR + ^IFG^DG + ^IFB^DB + ^IM 1 ^)т V ^{] .            (6)}

Расчетная емкость АКБ может определяется с учетом глубины разряда аккумуляторной батареи по следующей формуле:

C АКБ

A СУТ

U АКБ k РАЗ

где    С АКБ – расчетная емкость аккумуляторной батареи, А∙ч;

А СУТ – суточное потребление электроэнергии от АКБ, Вт∙ч;

U АКБ – напряжение на выводах аккумуляторной батареи, В;

k РАЗ – глубина разряда аккумуляторной батареи, о.е.

При прямом питании электроустановки от АКБ U П = U АКБ . AGM аккумуляторная батарея допускает разряд до 25…30% без существенного снижения ее ресурса.

Солнечный модуль с номинальной мощностью Р W в дневное время за сутки вырабатывает следующее количество энергии:

W eyT = k П P W E СР ,                                 ⁽⁸⁾

где    W СУТ – энергия, вырабатываемая солнечным модулем за сутки, Вт∙ч;

k П – коэффициент, дающий поправку на потери мощности солнечных элементов при их нагреве, а также учитывает наклонное падение лучей на поверхность модулей в течение дня;

E СР – среднее значение инсоляции, кВт∙ч/м².

При равенстве WСУТ=АСУТ (пренебрегая потерями в контроллере заряда АКБ) из уравнения (8) получим выражение для определения мощности солнечного модуля:

= СУТ

.

W

П E СР

Результаты и их анализ.

По полученным выражениям произведем определение параметров автономного источника питания разработанной электроустановки для подкормки рыбы насекомыми, расчетных значений емкости АКБ и мощности солнечного модуля, по которым возможен выбор соответствующих источников электроэнергии.

P C =12,7(3∙1,4∙10^–3+6,0∙10^–3+10,0∙10^–3)=0,2565 Вт.

В разработанной электроустановке все светоизлучающие кристаллы RGB-светодиодов работают при номинальном прямом токе I FН =350 мА и D=1.

P V =12,7(350∙10^–3+350∙10^–3+350∙10^–3+250∙10^–3)=16,51 Вт.

Суточное электропотребление определим для τ V =2 ч:

А СУТ =0,2565∙24+16,51∙2=39,18 Вт∙ч,

Задаваясь 30% разрядом аккумуляторной батареи по формуле (7) определим ее расчетную емкость:

С АКБ =39,18/(12,7∙0,3)=10,28 А∙ч.

Активный лет насекомых в Ростовской области наблюдается с мая по сентябрь. При горизонтальной ориентации солнечного модуля в районе г. Ростова-на-Дону средняя инсоляция за данный период года может быть принята равной E СР =5,234 кВт∙ч/м². При k П =0,5 расчетная мощность солнечного модуля составит:

P W =39,18/(0.5∙5,234)=14,97 Вт.

Выполненные расчеты позволяют произвести обоснованный выбор основных элементов автономного источника питания для разработанной электроустановки для подкормки рыбы насекомыми по расчетным значениям емкости АКБ, мощности солнечного модуля и с учетом номинального напряжения питания U Н =12 В. Принята аккумуляторная батарея DELTA DTM 1212 с номинальным напряжением 12 В и емкостью 12 А∙ч. Данная АКБ герметизированная необслуживаемая, изготовленная по технологии AGM . Завышенная на 20% емкость АКБ относительно расчетного значения позволит снизить глубину разряда аккумуляторной батареи, что положительно скажется на ее сроке службы. Для зарядки АКБ принята солнечная батарея DELTA SM 15-12 P с номинальными значениями мощности 15 Вт и напряжения 12 В.

Заключение. Представленная выше упрощенная методика расчета емкости АКБ и мощности солнечного модуля позволяет обосновать основные параметры автономного источника питания электроустановки для подкормки рыбы насекомыми и выбрать аккумуляторную и солнечную батареи. Выведенное уравнение для определения суточного электропотребления разработанной электроустановки отражает его взаимосвязь с режимами работы источников-аттрактантов и поражающего насекомых органа. Анализ данного уравнения позволяет наметить пути существенного снижения электропотребления, а следовательно, и себестоимости электроустановки. Например, за счет реализации прерывистой работы красных, зеленых, синих кристаллов светодиодов и вентилятора или уменьшения время их работы в сутках.