Основы научных исследований в энергетике

 

 

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 

 

 

 

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ 

 

 

 

 

У Ч Е Б Н О Е   П О С О Б И Е 

для обучающихся по направлению подготовки 

 35.03.06 «Агроинженерия», профиль «Электрооборудование и 

электротехнологии в АПК» 

 

 

 

 

 

 

С А Н К Т-П Е Т Е Р Б У Р Г 

2016 

 

 
 
 
 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

_______________________________________________________________________________________ 

 
 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 

 

 

 

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ 

 

 

 

 

У Ч Е Б Н О Е   П О С О Б И Е 

для обучающихся по направлению подготовки 

 35.03.06 «Агроинженерия», профиль «Электрооборудование и 

электротехнологии в АПК» 

 

 

 

 

С А Н К Т – П Е Т Е Р Б У Р Г  

 2016 

 

 

УДК 621.311(07) 

 

 

М.М. Беззубцева, В.С. Волков Основы научных исследований в энергетике: учебное пособие для 
обучающихся 
по 
направлению 
подготовки 
35.03.06 
«Агроинженерия», 
профиль 

«Электрооборудование и электротехнологии в АПК»  – СПб.: СПбГАУ, 2016. – 209 с. 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
доктор технических наук, профессор ФГБНУ Зональный НИИСХ Северо-Востока им.  Н.В. 
Рудницкого В.Е. Саитов; 
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО СПбГАУ А.П. Епифанов. 
 

В учебном пособии представлена адаптированная к сельскохозяйственному производству методология 

проведения научных исследований энергосистем агропредприятий. Включены основные положения 
научных исследований, необходимые для изучения дисциплин в агроинженерном вузе при подготовке 
бакалавров по направлению «Агроинженерия», профилю «Электрооборудование и электротехнологии в 
АПК». В современных экономических условиях самостоятельная работа студентов выходит на 
принципиально новый уровень. Возрастает значение научно-исследовательской работы и изменяются 
приоритеты целевых задач обучения.  Возникает потребность подготовки кадров, способных в своей 
профессиональной деятельности обеспечить промышленное производство импортозамещающими 
инновационными аппаратурно-технологическихми энергосистемами для производства социально-
значимой продукции. Особое внимание уделено алгоритму проведения патентно-информационных 
исследований и процедуре оформления заявок на право регистрации объектов интеллектуальной 
собственности. Рассмотрены методические рекомендации по формулированию темы, целей и задач 
исследования; методологии теоретического и экспериментального исследований; анализу результатов 
исследований и формулированию выводов. Значительное внимание уделено правилам оформления 
научно-исследовательских работ. Структура построения глав пособия предопределяет не только усвоение 
методологии научных исследований, но  и представляет широкий спектр проблемных вопросов для 
самостоятельной научно-исследовательской и практической деятельности обучающихся. В учебном 
пособии также представлен материал для самостоятельной работы студентов. 

Пособие представляет интерес для магистров направлений подготовки 35.04.06 Агроинженерия и 

13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, специалистов тепло- и электроэнергетиков и агроинженеров 
агропромышленного комплекса, может быть рекомендовано для заочного и дистанционного обучения. 

 
 

 

Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего размещения в 

электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Учебно-методическим 
советом СПбГАУ, Протокол №  4 от  04 февраля 2016 г. 

 

 

 

 

©  М.М. Беззубцева,  
©  В.С. Волков, 2016 
©  ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2016 

 

 
 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ............................................................................................................................................... 6 
Глава 1. Основные понятия и определения научных исследований ..................................... 10 

1.1. Наука - производительная сила развития общества ............................................................ 10 
1.2. Основные этапы развития науки ........................................................................................... 12 
1.3. Законы развития техники ....................................................................................................... 14 
1.4. Методологические основы научного исследования ............................................................ 19 
1.5 Системный анализ как метод научных исследований .......................................................... 21 
1.6 Направление и этапы научного исследования ...................................................................... 28 
1.7 Компьютерные технологии в научных исследованиях ........................................................ 30 

Глава 2.Методика проведения патентного поиска с использованием ресурсов сети 
интернет ............................................................................................................................................. 37 

2.1. Поисковые серверы общего назначения ............................................................................... 38 
2.2 Серверы с патентной классификацией .................................................................................. 40 
2.2.1 Международная патентная классификация ........................................................................ 40 
2.2.2 Европейская патентная классификация (ECLA) ................................................................ 41 
2.2.3 Национальная патентная классификация США (НПК США) .......................................... 43 
2.3 Серверы с патентной информацией ....................................................................................... 43 

   2.4 Сервер Евразийского патентного ведомства (ЕАПВ) ........................................................... 44 

2.5 Серверы патентного ведомства России ................................................................................. 45 
2.6 Сервер Европейского патентного ведомства (ESP@CENET) ............................................. 46 
2.7 Сервер патентного ведомства США ...................................................................................... 47 
2.8 Сервер патентного ведомства Японии ................................................................................... 49 

Глава 3. Методология экспериментальных исследований ...................................................... 50 

3.1 Характеристика экспериментов .............................................................................................. 50 
3.2 Планирование и обработка результатов экспериментов при многофакторном методе 
исследования .................................................................................................................................. 60 
3.3. Статистическая обработка экспериментальных данных с использованием программы  
MS OFFICE EXCEL ....................................................................................................................... 75 

Глава 4  Приоритетные направления в научных исследованиях предприятий АПК ....... 91 

4.1.Приоритетные интеллектуальные разработки по направлению "Электроэнергетика" .... 91 
4.2.Приоритетные интеллектуальные разработки по направлению "Теплоснабжение" ........ 93 
4.3. Приоритетные интеллектуальные разработки по направлению "Возобновляемые 
источники энергии и местные виды топлива" ............................................................................ 95 

Глава 5 Методика организации научно-исследовательской   работы обучающихся   
(НИРо) по программе бакалавриата «Электрооборудование и электротехнологии                  
в АПК» ................................................................................................................................................ 99 

5.1 Цель и задачи НИРО .............................................................................................................. 100 
5.2 Виды НИРО ............................................................................................................................ 102 
5.3 Этапы выполнения научно-исследовательской работы ..................................................... 103 
5.4 Выбор тематики научных исследований ............................................................................. 103 
5.5 Рекомендации по организации НИРО.................................................................................. 104 
5.6 Контроль выполнения научно-исследовательской работы ............................................... 110 
5.7 Формы НИРО ......................................................................................................................... 115 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................................................. 120 
Литература ...................................................................................................................................... 126 
Приложение А ................................................................................................................................. 131 

Приложение Б ................................................................................................................................. 141 
Приложение В ................................................................................................................................. 144 
Приложение Г ................................................................................................................................. 157 
Приложение Д ................................................................................................................................. 159 
Приложение Е ................................................................................................................................. 161 
Приложение Ж ................................................................................................................................ 163 
Приложение И ................................................................................................................................. 168 
Приложение К ................................................................................................................................. 171 
Приложение Л ................................................................................................................................. 177 
Приложение М ................................................................................................................................ 183 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Инновационные энергетические технологии создаются на базе 

фундаментальных заделов физики, химии, а также на базе таких 
физико-технических дисциплин, как электрофизика и электротехника, 
теплофизика, атомная физика и техника. На них приходится до 70% 
научных исследований. Из области физики:  

 это фотоэлементы третьего поколения с к.п.д. до 40–60%, 

которые 
способны 
обеспечить 
 
широкое 
использование 

солнечной энергии;  

 суперконденсаторы высокой ёмкости, которые  обещают 

революцию в накоплении и передаче электроэнергии с массовой 
электрификацией транспорта и заменой нефтетоплива;  

 реакторы с замкнутым топливным циклом  способны сделать  

атомную энергетику воспроизводимой по ядерному горючему 
даже при высоких темпах развития. Опытно-промышленное 
освоение 
термоядерной 
энергии 
особенно 
с 
прямым 

преобразованием радиационной энергии в электрическую даёт 
надежду устранить проблему ограниченности энергоресурсов.  

На достижениях химии и наук о материалах разрабатываются 

технологии получения жидкого топлива из газа, угля, сланцев и 
биомассы, а также методы и средства прямого преобразования 
химической энергии в электрическую. Использование электроэнергии, 
как известно, началось с гальванических элементов. Сейчас мощность 
химических аккумуляторов превышает мощность всех электростанций 
Земли, а  в будущем — развитие топливных элементов для транспорта 
и распределённой энергетики.               

Достижения биологии и химии дают научную основу для конверсии 

биомассы разных видов в высококачественное жидкое и газовое 
топливо с помощью ферментации, для создания новых видов 
целлюлозосодержащих культур повышенной продуктивности, не 
конкурирующих с пищевыми культурами,  а также других технологий 
биоэнергетики.  

Из числа возможных технологий энергетическая наука отбирает 

эффективные 
энергетические 
технологии 
по 
критериям 

экономической 
эффективности (вклад общественных наук) и 

экологической приемлемости (формируется науками о Земле) с учётом 
всех аспектов надёжности и управляемости технологий. Их 
обеспечивают достижения математики, информационных технологий 
и процессов управления. Этому посвящено 10–15% энергетических 
исследований. Казалось бы, они и определяют приоритеты научно-
технического прогресса в энергетике. Но, во-первых, названные 
критерии выбора эффективных технологий весьма неоднозначны и 
очень противоречивы: понятно, чем надёжнее и «экологичнее» 
технологии, тем они дороже. Во-вторых, энергетические технологии 
обычно не работают изолированно, а в комплексах или системах, где 
сумма локальных оптимумов по определению не соответствует 
глобальному. Поэтому важным направлением энергетической науки 
является исследование и конструирование энергетических систем, на 
что приходится ещё 10–15% её усилий. Для определения эффективных 
направлений и приоритетов научно-технологического прогресса ко 
всему сказанному приходится привлекать исследования тенденций 
эволюции 
пространственного 
и 
производственного 
развития 

энергетики, то есть квинтэссенцию того, «как это было на самом деле» 
в прошлом. На это направлено до 5% энергетических исследований. 
Пространственному 
развитию 
энергетики 
следуют 
тенденции 

создания межстрановых, трансконтинентальных и глобальных систем. 
Они 
имеют 
мощную 
физико-техническую 
основу 
в 
виде 

трубопроводных и электрических сетей и одновременно выступают 
как всё более сложные производственные системы, а теперь и как 
энергетические рынки. Вероятно, после 2030 года для широкого 
использования космической и термоядерной энергетики потребуется 
глобальная интеграция региональных электроэнергетических систем. 

Интенсификация научно-технического труда и сокращение затрат 

по всему циклу "исследование — проектирование — подготовка 
производства" является жизненно важным условием ускорения темпов 
и повышения эффективности энергосистем. Сюда входит также 

автоматизация обработки данных и планирование экспериментальных 
исследований, 
автоматизированное 
проектирование 
новых 

технических средств, включая конструирование и технологическую 
подготовку производства.  

Выполнение поставленных задач возможно в случае вооружения 

молодых специалистов новейшими знаниями в области научных 
исследований. Это обязывает высшую школу широко привлекать 
студентов к проведению научных исследований. Таким образом, 
научная подготовка студентов в вузах — одна из главнейших 
программ обучения. 

Важным этапом развития высшей школы при подготовке 

инженерно-технических 
кадров 
для 
агроинженерного 
сектора 

экономики является введение в учебный процесс дисциплины 
"Основы научных исследований", в которой рассматриваются 
методология и методы научных исследований, а также способы их 
организации.  

Введение дисциплины "Основы научных исследований" обязывает 

студентов освоить элементы методики научных исследований, что 
способствует развитию рационального творческого мышления; 
организации их оптимальной мыслительной деятельности. За период 
обучения студент должен выполнить те или иные научные 
исследования в различных формах учебного процесса. 

В результате изучения теоретического курса и выполнения 

исследований 
по 
выбранной 
теме 
студент 
должен 
освоить 

методологию и методику научных исследований, а также уметь 
отбирать и анализировать необходимую информацию, формулировать 
цель 
и 
задачи, 
разрабатывать 
теоретические 
предпосылки, 

планировать и проводить эксперимент, отрабатывать результаты 
измерений и оценивать погрешности и наблюдения, сопоставлять 
результаты эксперимента с теоретическими предпосылками и 
формулировать выводы научного исследования; составлять отчет, 
доклад или статью по результатам научного исследования. 

Решению всех этих проблем и посвящено настоящее учебное 

пособие.  

Пособие направлено на формирование у обучающихся следующих 

элементов компетенций: способности осуществлять поиск, хранение, 
обработку и анализ информации из различных источников и баз 
данных, представлять ее в требуемом формате с использованием 
информационных, компьютерных и сетевых технологий (ОПК-1); 
готовности изучать и использовать научно-техническую информацию, 
отечественный и зарубежный опыт по тематике исследований (ПК-1); 

готовности к участию в проведении исследований рабочих и 

технологических процессов машин (ПК-2); 

готовности 
к 
обработке 
результатов 
экспериментальных 

исследований (ПК-3) 

 

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАУЧНЫХ 

ИССЛЕДОВАНИЙ 

1.1. Наука - производительная сила развития общества 

Наука — это непрерывно развивающаяся система знаний 

объективных законов природы, общества и мышления, получаемых и 
превращаемых в непосредственную производительную силу общества 
в результате специальной деятельности людей  [4,36]. Цель науки — 
познание законов развития природы и общества и воздействие на 
природу на основе использования знаний для получения полезных 
обществу результатов.  Науку можно рассматривать в различных 
измерениях: как специфическую форму общественного сознания, 
основу которой составляет система знаний;  как процесс познания 
закономерностей 
объективного 
мира; 
как 
определенный 
вид 

общественного разделения труда; как один из важных факторов 
общественного развития и как процесс производства знаний и их 
использование.  

Правильность научного знания определяется не только логикой, 

но и обязательной проверкой его на практике [16,21]. Раскрывая 
закономерные связи действительности, наука выражает их в 
абстрактных понятиях и схемах, строго соответствующих этой 
действительности. Развитие науки идет от сбора факторов, их 
изучения и систематизации, обобщения и раскрытия отдельных 
закономерностей к связанной, логически стройной системе научных 
знаний, которая позволяет объяснить уже известные факты и 
предсказать новые [15,30].  

Факты систематизируют и обобщают с помощью простейших 

абстракций — понятий (определений), являющихся важными 
структурными элементами науки. Наиболее широкие понятия 
называют категориями. Это самые общие абстракции. 
Важная форма знаний — принципы (постулаты), аксиомы. Под 
принципом понимают исходные положения какой-либо отрасли науки. 

Они являются начальной формой систематизации знаний (аксиомы 
евклидовой геометрии, постулат Бора в квантовой механике и т. д.).  

Важнейшим составным звеном в системе научных знаний 

являются научные законы, отражающие наиболее существенные, 
устойчивые, повторяющиеся объективные внутренние связи в 
природе, обществе и мышлении. Обычно законы выступают в форме 
определенного соотношения понятий, категорий [13,15].  

Наиболее высокой формой обобщения и систематизации знаний 

является теория [4,5,6,9]. Под теорией понимают учение об 
обобщенном опыте (практике), формулирующее научные принципы и 
методы, которые позволяют обобщить и познать существующие 
процессы и явления, проанализировать действие на них разных 
факторов и предложить рекомендации по использованию их в 
практической деятельности людей.  

Наука включает в себя также методы исследования [4]. Под 

методом понимают способ теоретического исследования или 
практического осуществления какого-либо явления или процесса. 
Метод — это инструмент для решения главной задачи науки — 
открытия объективных законов действительности. Метод определяет 
необходимость и место применения индукции и дедукции, анализа и 
синтеза, 
сравнения 
теоретических 
и 
экспериментальных 

исследований.  

Любая научная теория, объясняя характер тех или иных 

процессов действительности, всегда связана с определенным частным 
методом исследования. Опираясь на общие и частные методы 
исследования, ученый получает ответ на то, с чего надо начинать 
исследования, как относиться к фактам, как обобщать, каким путем 
идти к выводам.  

В настоящее время все большее значение приобретает в качестве 

общего 
математический 
метод 
исследования, 
т.е. 
метод 

количественного изучения явлений и процессов. Это обусловлено 
бурным 
развитием 
кибернетики, 
вычислительной 
математики, 

информационных технологий [19,38]. Когда ученые не располагают 
достаточным фактическим материалом, то в качестве средства 

достижения научных результатов они используют гипотезы — научно 
обоснованные предположения, выдвигаемые для объяснения какого-
либо процесса, которые после проверки могут оказаться истинными 
или ложными. Гипотеза часто выступает как первоначальная 
формулировка, черновой вариант открываемых законов.  

Наука 
является 
производительной 
силой 
общества, 
что 

проявляется в глубоких изменениях во взаимоотношениях науки и 
производства. Во-первых, многие новые виды производства и 
технологические процессы первоначально зарождаются в недрах 
науки, научно-исследовательских институтах. Развитие атомной 
энергетики, 
химической 
технологии, 
получение 
сверхтвердых 

материалов — всех это хорошая иллюстрация к сказанному. Во-
вторых, сокращаются сроки между научным открытием и его 
внедрением в производство. Раньше со времени научного открытия 
или изобретения до их практического применения проходили 
десятилетия, сейчас же со дня открытия лазера до его освоения 
практикой прошло всего несколько лет. Это можно сказать и об 
атомной энергетике, о полупроводниках и пр. В-третьих, в самом 
производстве успешно развиваются научные исследования, растет 
сеть научных учреждений в промышленности и сельском хозяйстве. 
Развивается творческое содружество ученых с инженерами и 
рабочими. Предприятия перерастают в научно-промышленные 
комплексы. В-четвертых, резко поднялся профессиональный уровень 
рабочих, ИТР, что позволяет им широко использовать научные знания 
в процессе производства. Массовое движение изобретателей и 
рационализаторов 
— 
важная 
форма 
сближения 
науки 
с 

производством.  

1.2. Основные этапы развития науки 

Истоки науки уходят своими корнями в практику ранних чело-

веческих обществ, в которой нераздельно соединялись познаватель-
ные и производственные моменты. Первоначальные знания носили