Энергосберегающая автономная система энергообеспечения животноводческих и других сельскохозяйственных объектов

Введение. Небольшие животноводческие объекты, малые фермы и другие сельскохозяйственные потребители могут обеспечиваться электрической энергией, теплом и холодом от автономных систем энергообеспечения в тех случаях, когда по экономическим показателям они более выгодны по сравнению с централизованными системами электро- и тепло(топливо)снабжения.

Основное содержание.

Автономная система энергообеспечения животноводческих и других сельскохозяйственных потребителей включает в себя источник (или источники) электрической энергии и источник (источники) тепла для обеспечения потребностей объекта в электроэнергии и тепле, не связанные с централизованной системой электро- и теплоснабжения. Автономное электроснабжение потребителей может осуществляться от различных видов моторгенераторов, ветроэлектрических агрегатов, солнечных батарей, микроГЭС и других источников. Автономные системы теплоснабжения в большинстве своем используют различные конструкции котлов, печей и теплогенераторов для сжигания в них твердого, жидкого и газообразного топлива, а также гелиоэнергетические установки для преобразования энергии Солнца в тепло жидких и газообразных теплоносителей. Известны автономные системы комбинированной выработки электроэнергии и тепла. Для подавляющего большинства небольших животноводческих и других сельских потребителей основным элементом таких систем является мотор-генератор, тепловой двигатель которого оборудуется теплообменными аппаратами, с помощью которых тепло охлаждающей двигатель жидкости и тепло выхлопных газов двигателя используется для нагрева внешних (относительно двигателя) жидкости или газа, которые, в свою очередь, являются теплоносителями в системах теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей. Перечисленные выше системы требуют для нормальной работы как минимум два энергоносителя, особенно топлива для нужд пищеприготовления и горячего водоснабжения.

В ФГБНУ ВИЭСХ была разработана автономная система энергообеспечения автономных сельскохозяйственных потребителей на основе термоэлектрического генератора, работающего на газе и использующая один энергоноситель – газ (сжиженный, природный или биогаз) для удовлетворения потребностей объекта в электроэнергии, тепло- и холодообеспечении, горячем водоснабжении и пищеприготовлении [1]. Однако основным недостатком такой системы является постоянный расход газового топлива, доставка которого на удаленные сельскохозяйственные объекты требует значительных материальных затрат.

С целью уменьшения количества расходуемого газового топлива и снижения затрат на его транспортировку, была разработана энергосберегающая автономная система энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей [2]. Экономия энергоносителя осуществляется за счет использования ветроэлектрического агрегата, работающего при оптимальных скоростях ветра для данного типа ветроэлектрического агрегата и пополняющего запас электроэнергии в буферной аккумуляторной батарее, а также за счет солнечного теплового коллектора, нагревающего жидкий теплоноситель, поступающий в бак-аккумулятор тепла.

Общая схема автономной энергосберегающей системы энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общая схема автономной энергосберегающей системы энергообеспечения сельскохозяйственных потребителей:

1 – резервуар с газом; 2- термоэлектрический генератор; 3 – аккумулятор электрической энергии; 4 – потребители электрической энергии; 5 – ветроэлектрический агрегат; 6 – автоматическое переключающее устройство; 7 – аккумулятор теплоты; 8 – потребители теплоты; 9 – преобразователь солнечной энергии в теплоту.

Система работает следующим образом. Газ из резервуара 1 поступает в термоэлектрический генератор 2, где происходит преобразование теплоты сгорания газа в электрическую энергию (прямое преобразование), которая накапливается в аккумуляторе 3, из которого используется потребителями электрической энергии 4. Ветроэлектрический агрегат 5 вырабатывает электрическую энергию, которая также поступает в электрический аккумулятор 3. При достижении полного уровня заряда электрического аккумулятора 3 автоматическое переключающее устройство 6 отключает электрический аккумулятор в первую очередь от термоэлектрического генератора, а затем от ветроэлектрического агрегата, причем одновременно с отключением электрического аккумулятора от термоэлектрического генератора прекращается подаче газа в последний. При снижении уровня заряда электрического аккумулятора ниже допустимого, автоматическое переключающее устройство подключает электрический аккумулятор в первую очередь к ветроэлектрическому агрегату, если он работает в номинальном режиме и заряжает аккумулятор. Если же мощности ветрового потока недостаточно для работы ветроэлектрического агрегата, то автоматическое переключающее устройство подключает электрический аккумулятор к термоэлектрическому генератору, в который одновременно с этим возобновляется подача газа и его горение. Теплота сгораемого в термоэлектрическом генераторе газа, не преобразованного в электрическую, поглощается теплоносителем, охлаждающим термоэлектрический генератор и передается в аккумулятор теплоты, а из него к потребителям теплоты. Преобразователь солнечной энергии в теплоту передает ее в аккумулятор теплоты.

Возможны варианты работы системы с использованием инвертора, включаемого после электрического аккумулятора, для питания потребителей переменным электрическим током напряжением 220 В и частотой 50 Гц, а также применение вторичного контура (жидкостного и воздушного) передачи теплоты от аккумулятора теплоты к потребителям.

Ветроэлектрические агрегаты малой и средней мощности выпускаются российскими и зарубежными производителями. Средняя мощность ветроэлектрической установки может быть определена по формуле [3]

Г^{5 v} р

N = N У ср р

V ^vi ^- в«

( ^vi ^- v e ) • ti ( ^v р ^{- v}e )

^{5 v}°

+ Z ti v- v р J

где: N_р – расчетное значение установленной мощности, кВт; v_p – расчетное значение скорости ветра , м/с; v в – скорость включения, м/с; скорость отключения, м/с; v_i – вероятность появления скорости ветра;

относительная доля вероятности значения скорости ветра.

Расчетное значение установленной мощности ветроэлектрического агрегата определяется по формуле

N р =(n/8)D 2 Pv 2 рПо                (2)

где: N р – расчетное значение установленной мощности ветроэлектрического агрегата, кВт; D– диаметр ветроколеса, м; ρ – плотность воздуха, кг/м³; v р – расчетная скорость ветра, м/с; η о – общий кпд установки.

Количество энергии, которую вырабатывает ветроагрегат за расчетный период времени можно определить из выражения

NТ W= ^р 1000

где: W – количество вырабатываемой энергии, кВтч; Т – расчетное время работы, ч.

В таблице 1 приведены технические характеристики некоторых типов ветроэлектрических установок российского производства.

Таблица 1 - Технические характеристики некоторых типов ветроэлектрических установок

Характеристики	ВЕТЭН – 0,16	Шексна - 1	WE -1000
Номинальная мощность, кВт	0,16	0,5	1,0
Диапазон рабочих скоростей ветра, м/с	3,5-25	3-30	2,5-7,5
Диаметр ветроколеса, м	1,6	2,8	2,2
Выходное напряжение инвертора, В	220	230	220
Масса (без аккумуляторной батареи), кг	58	265	280

Преобразователями солнечной энергии в тепловую в подавляющем большинстве являются солнечные коллекторы. Полезная мощность, отводимая с единицы площади солнечного коллектора определяется по формуле: [4]

P = I ( τα ) F -∆ P

где: P – полезная мощность, отводимая с единицы площади солнечного коллектора, Вт/м2; I – интенсивность суммарного излучения в плоскости коллектора, Вт/м2; (τα) – оптический кпд коллектора; F – коэффициент эффективности поглощающей поверхности; ΔР – удельные потери тепловой энергии коллектора, Вт/м2.

Технические характеристики некоторых типов тепловых коллекторов приведены в таблице 2. [5]

Таблица 2 - Технические характеристики некоторых типов

тепловых коллекторов
Параметр	Сокол-А	DRC10           ОPC10          OPC15
Страна-производитель	Россия	Швейцария
Тип солнечного коллектора 38	плоский	вакуумный Агротехника и энергообеспечение. – 2016. – № 3 (12)

Продолжение таблицы 2

Абсорбер (поглощающая поверхность)	10 профилей из алюминиевог о сплава АД 31 c плоскими ребрами, имеющими селективное покрытие	10 ваккуумных трубок размером 58х47х1900 с 9-ти слойным высокоселектив ным покрытием	10 ваккуумных трубок размером 47х37х1500 с 9-ти слойным высокоселективн ым покрытием	15 ваккуумных трубок размером 47х37х1500, с 9-ти слойным высокоселект ивным покрытием
Стекло	стекло листовое 4 мм		боросиликат 3.3 мм, 360°
Производительно сть коллектора при солнечной радиации 1000 Вт/м2	–	1250	1000	1500
Теплоноситель	вода / гликоль	вода / гликоль	вода / гликоль	вода / гликоль
Объем теплоносителя, л	2,15	2,1	2,1	3,1
Допустимое рабочее давление, бар	7	10	10	10
Вес коллектора, кг	54	50	32	45

Экспериментальные исследования фрагмента автономной системы энергообеспечения на основе термоэлектрического генератора на газовом топливе проводились в одном из хозяйств Московской области и показали его работоспособность как на сжиженном газе, так и на биогазе.

Выводы.

• 1 . Энергосберегающая автономная система энергообеспечения животноводческих и других сельскохозяйственных потребителей предназначена в первую очередь для снабжения электроэнергией, теплом и холодом объекты в сельской местности, удаленные от систем централизованного электро- и тепло(топливо)снабжения.

• 2    Применение ветроэлектрического агрегата и установки для преобразования энергии солнечного излучения в теплоту в автономных системах энергообеспечения с использованием термоэлектрического генератора, работающего на газовом топливе позволяет в конечном итоге снизить затраты на топливо.

Антонов Юрий Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией систем электроснабжения сельских потребителей, Москва, Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства РАН.

ENERGY-SAVING STAND-ALONE SYSTEM OF ENERGY SUPPLY

Antonov Yuri Mikhailovich, Candidate of Technical Sciences, senior researcher, head of laboratory of rural consumers energy supply, Moscow, Federal State Budget Scientific Institution of All-Russian Scientific Research Institute of Agriculture Electrification of The Russian Academy Of Science s.