Перспективы применения возобновляемых источников энергии на средних и крупных сельскохозяйственных производственных предприятиях

Введение. В настоящее время в России и во всем мире растет интерес к автономному применению возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1–4]. Априори предполагается, что малая плотность энергии основных ВИЭ (солнечное излучение и ветер) наиболее соответствует малым нагрузкам небольших автономных объектов. Однако полное автономное энергоснабжение только на основе возобновляемых источников энергии проблематично из-за нерегулярности и неуправляемости наиболее доступных видов ВИЭ [5]. В этой связи автономное применение наиболее распространенных возобновляемых источников энергии ограничивается бытовыми потребителями электроэнергии (загородные дома, фермерские усадьбы и т.п.) и муниципальными объектами с малой энергоемкостью (пешеходные переходы, автомобильные туннели и т.п.).

Автономное применение возобновляемых источников энергии для производственных объектов ограничено их установленной мощностью и требуемой надежностью электроснабжения. В агропромышленном секторе такими объектами являются передвижные пасеки, домики рыбака, овцеводческие точки и др., не требовательные к надежности электроснабжения [6–8].

В этой связи целью настоящей работы является выявление техникоэкономических перспектив применения энергии солнечного излучения и ветра для электроснабжения средних и крупных сельскохозяйственных производственных предприятий.

Материалы и методы исследований. Основные сельскохозяйственные предприятия имеют высокий уровень электромеханизации и, соответственно, требуют высокой надежности электроснабжения.

К таким объектам относятся механические тока, механические мастерские, животноводческие фермы и комплексы, кормоцеха, птицефермы и птицефабрики и т.п. [9, 10]. С учетом их высокой насыщенности электрооборудованием и одновременно высоких требований к надежности электроснабжения они снабжаются энергией централизованно по сельским электросетям [11, 12].

В таблице 1 приведены сведения о категорийности сельскохозяйственных объектов по требуемой надежности электроснабжения.

Очевидно, что электроснабжение производственных объектов первой и второй категории неразумно осуществлять от ВИЭ по причине высоких требований к надежности. В сельском хозяйстве для обеспечения требуемой надежности электроснабжения всего производственного объекта рекомендуется применять либо сетевое резервирование, либо резервный источник питания.

Тем не менее, как показывает практика, эти мероприятия не обеспечивают требуемой надежности электроснабжения. Основной причиной является крайне высокая степень изношенности сельских линий электропередачи (по некоторым данным степень изношенности ВЛ-10, ВЛ-0,4 и подстанционного оборудования превышает 50%, а в некоторых регионах достигает 70%).

Второй причиной является то, что в качестве резерва чаще всего используются устаревшие дизельные электростанции, сохранившиеся со времен децентрализованного электроснабжения. Например, в Калмыкии сохранилось около 300 дизельных электростанций, которые после создания надежного централизованного электроснабжения используются как резервные источники энергии.

Таблица 1 – Категории сельскохозяйственных производственных объектов Table 1 – Categories of agricultural production facilities

Категория надежности электроснабжения Category of power supply reliability	Типичные производственные объекты Typical production facilities	Допустимая продолжительность аварийного отключения* Permissible duration of emergency power outages*
1 категория Category 1	Крупные фермы и комплексы по выращиванию животных, молочнотоварные комплексы, птицефабрики Large-sized farms and complexes for raising animals, dairy complexes, poultry farms	30 мин при ручном вводе резерва 30 min with manual reserve input
2 категория Category 2	МТФ, СТФ, ПТФ, теплицы и парники площадью 2500 м2, детские и лечебные учреждения Dairy complexes, pig-breeding farms, poultry farms greenhouses and hotbeds with an area of 2500 m2, children's and medical institutions	1,5–2,0 часа 1,5–2,0 hours
3 категория Category 3	ОТФ, рыбоводческие хозяйства, жилищнокоммунальный сектор и другие потребители, не вошедшие в 1 и 2 категории Sheep-breeding farms, fish farms, housing and communal services sector and other consumers not included in Categories 1 and 2	12–24 часа 12–24 hors

*допустимая продолжительность может корректироваться договорами между поставщиком и потребителем электроэнергии.

*the permissible duration may be adjusted between the supplier and the consumer of electricity by agreement.

Эти электростанции находятся в холодном резерве и не могут обеспечить аварийного включения за допустимый период времени (см. таблицу 1). Дефицит оперативного электротехнического персонала в современных хозяйствах еще более увеличивает время доава-рийного включения резерва.

По техническим требованиям к надежности электроснабжения в качестве резерва наиболее подходят электрохимические аккумуляторы с соответствующими инверторами напряжения [13–15]. Однако такой вариант резервирования отличается высокой стоимостью. Кроме того, электрохимические аккумуляторы все без исключения подвержены саморазрядке, что приводит к до- полнительному расходу электроэнергии на их систематическую подзарядку. С учетом того, что любое аккумулирование снижает общий КПД, использование аккумуляторов пока не нашло широкого применения в системе электроснабжения сельскохозяйственных производственных объектов.

Вместе с тем при детальном анализе сельскохозяйственных потребителей электроэнергии можно заметить, что высокой надежности требует не всё предприятие в целом, а только отдельные технологические процессы. Рассмотрим в качестве примера молочнотоварную ферму, которая может быть как отдельным производственным предприятием (потребитель второй категории), так и составной частью крупного молочнотоварного комплекса (потребитель первой категории).

В таблице 2 приведены данные о допустимой продолжительности простоя из-за отключения электроэнергии.

Таблица 2 – Допустимая продолжительность простоя электрооборудования молочнотоварной фермы

Table 2 – Permissible downtime of electrical equipment on a dairy farm

Технологическая линия Technological line	Электромеханическое оборудование Electromechanical equipment	Допустимое время простоя, час Permissible downtime, hours	Примечания Notes
1. Уборка навоза 1. Manure removal	Навозоуборочные транспортеры Manure removal conveyors	8 – 12
	Фекальный насос Fecal pump	Более 24 More 24	Допускается до 3 суток Up to 3 days
2. Вентиляция 2. Ventilation	Приточные и вытяжные вентиляторы Intake and exhaust fans	6
3. Водоснабжение 3. Water supply	Водяной насос Water pump	Более 12 More 12	При стойлово-выгульном содержании до 12 часов When kept in a stall and in the open air for up to 12 hours
4. Подогрев воды 4. Water heating	Водонагреватели Water heaters	8	То же The same
5. Доение 5. Milking	Доильные установки Milking machines	0,5–1	При совпадении отключения с началом процесса When the shutdown coincides with the start of the process
6. Первичная обработка молока 6. Primary milk processing	Охладители молока Milk coolers	0,5–1	То же The same
7. Освещение 7. Lighting	Осветительные приборы Lighting devices	2	В ночное время At night
		8	В дневное время In the daytime

Таким образом, на МТФ только электромеханическое оборудование линии доения и обработки молока требует восстановления электроснабжения в течение 0,5–1 часа, причем только при совпадении времени отключения с дан- ным производственным процессом. Если аварийное отключение происходит после дойки, то допустимое время простоя увеличивается до 6 часов при трехразовом доении и до 12 часов при двухразовом доении [16, 17].

Уменьшение потребителей электроэнергии, требующих практически незамедлительного включения резервного источника питания, а следовательно, и мощности потребляемой электроэнергии, диктует необходимость пересмотреть возможность применения электрохимических аккумуляторов.

Периоды между отказами сельских электрических сетей происходят не чаще 30±8 суток с вероятностью 0,99. При этом отказы не обязательно совпадают с временем работы доильного оборудования.

На рисунке 1 показано распределение отказов воздушных линий ВЛ-10 на территории Ростовской области по часам

Рисунок 1 – Распределение отказов по часам суток на территории Ростовской области Figure 1 – Distribution of failures by hours of the day in the Rostov region

Распределение отказов по часам суток подчиняется нормальному закону с математическим ожиданием 11 часов 30 минут и стандартным отклонением σ 1 =4,4 часа.

Если следовать графику распределения (рисунок 1), то наибольшее число отказов приходится на полуденное время, т.е. время дневной дойки. Причиной этого может быть то, что на территории Ростовской области большее время года ветер наиболее сильный днем и стихает в ночное время [18]. То есть наибольшая вероятность схлестывания проводов воздушных линий 10 и 0,4 кВ в полуденное время. Кроме того, в сельском хо- зяйстве именно в дневное время производственная нагрузка наибольшая, что может вызывать перегрузку устаревших линий электропередач.

Кроме этих причин могут быть и причины субъективного характера, а именно, отсутствие регистрации повреждений в ночное время суток.

Результаты исследований и их обсуждение. С учетом изложенного можно сделать вывод, что вероятность аварийного отказа в электроснабжении во время доек (утренней, дневной и вечерней) достаточно велика.

На рисунке 2 приведены данные о продолжительности отказов в электро- снабжении на территории Ростовской области. Математическое ожидание длительности отказа по статистическим дан- ным составляет чуть более часа при стандартном отклонении σ2 = 0,2 часа.

Рисунок 2 – Распределение вероятностей продолжительности устранения отказа в электроснабжении сельскохозяйственных производственных объектов

Figure 2 – Distribution of probable duration of the elimination of a power failure at agricultural production facilities

Таким образом, вероятность того, случайной величины в интервал более что время отключения будет больше до- одного часа, т.е.: пустимого, это вероятность попадания

Т МАХ -^ ОТКЛ        Т Д -Т ОТКЛ

^^(т Д < ^Т ОТКЛ ^ ^Т МАХ ) — Ф [-------] - Ф [-----] ,         (1)

где τ Д – допустимая продолжительность отключения, ч;

τ ОТКЛ – время отключения, ч;

τ МАХ – максимальная продолжительность отключения, ч;

0 2 - стандартное отклонение продолжительности отказа, ч.

Расчеты показывают, что вероятность недопустимого перерыва в электроснабжении Р( т д <  т откл < т ) = 0,5.

Однако следует учитывать, что не все перерывы в электроснабжении приходятся на время дойки или первичной обработки молока. Вероятность того, что процессы доения и обработки молока будут обесточены недопустимое время, определится следующим образом:

Р откл = Q( t ) Р( т д <  т откл < т ), (2)

где Р откл - вероятность недопустимого времени отключения;

Q( t ) - вероятность отключения в период доения или первичной обработки молока.

В таблице 3 приведены данные о вероятности недопустимых простоев линии доения. Как следует из полученных результатов, вероятность недопустимых простоев из-за аварийных отключений достаточно велика, особенно при дневной дойке. Это подтверждает необходимость резервирования основного источника электроэнергии.

Таблица 3 – Вероятность недопустимых простоев линии доения Table 3 – Probability of unacceptable milking line downtime

Оборудование линии доения Equipment of milking line	Вероятность недопустимого простоя Probability of unacceptable downtime
	Утренняя дойка Morning milking	Дневная дойка Afternoon milking	Вечерняя дойка Night milking
1. Доильное оборудование 1. Milking equipment 2. Охлаждение молока 2. Milk cooling	0,05 0,06	0,11 0,09	0,03 0,01

Наиболее эффективным резервным источником электроэнергии являются электрохимические аккумуляторы, позволяющие практически без задержки обеспечить резервное электроснабжение. Но постоянная потребность в подзарядке сдерживает их применение в качестве резервных источников.

Однако при использовании электрохимических аккумуляторов в качестве резервного источника напряжения весьма заметно увеличивается возможность применения для их подзарядки возобновляемых источников энергии – солнечного излучения и энергии ветра. Это объясняется следующими особенностями.

Аккумулятор должен иметь такой запас электроэнергии, которого будет достаточно для электроснабжения резервируемого потребителя. С учетом КПД аккумулятора и инвертора это будет:

W A η А η ИНВ = W П , (3) где W A – энергия, которую способен отдать аккумулятор, кВт·ч;

W П – энергия, потребляемая резервируемым оборудованием, кВт·ч;

η А – КПД аккумулятора;

η ИНВ – КПД инвертора напряжения.

Энергии от преобразователя ВИЭ должно быть достаточно для зарядки ак- кумулятора до нужного уровня:

^11 ^ Л Ч ИНБ ,

^ ВИЭ —

где W ВИЭ – энергия, поставляемая преобразователем ВИЭ, кВт·ч.

Выразив поставляемую энергию от ВИЭ и потребляемую энергию через мощности, получим

^виэ — ^п    х ,

^П Т ВИЭ    ^ А ^ ИНВ

где Р ВИЭ – средняя мощность преобразователя возобновляемого источника энер-

гии, кВт;

τ П , τ ВИЭ – время работы потребителя энергии (резервируемого оборудования) и преобразователя возобновляемого источника энергии (зарядного устройства), ч.

Приняв, что возобновляемый источник энергии действует не менее 12 часов в сутки, время работы зарядного устройства (время между отключениями) с вероятностью 0,99 равно 264 часам.

КПД современных электрохимических аккумуляторов не менее 0,7, КПД инвертора напряжения не менее 0,85. При таких показателях необходимая мощность преобразователя напряжения будет не более

^виэ = ^п — X —¹— = 0,06Р_п .

ВИЭ     П 264   0,7X0,85         П

Таким образом, мощность преобразователя возобновляемого источника энергии будет составлять 6%, т.е. менее 10% от мощности резервируемого потребителя. Следовательно, и стоимость преобразователя ВИЭ можно уменьшить не менее, чем в 10 раз.

Учитывая, что стоимость электрохимических аккумуляторов не выше стоимости топливных электростанций, со всей очевидностью можно рассчитывать на повышение конкурентоспособности преобразователей возобновляемых источников энергии при использовании их совместно с аккумуляторами для резервирования электроснабжения. При этом для выявления целесообразности применения возобновляемых источников энергии для подзарядки резервных аккумуляторов вместо централизованных электрических сетей следует опираться на сравнение затрат на сетевую электроэнергию и стоимость преобразователя ВИЭ. При замене топливных электростанций на аккумуляторы также надо учитывать положительный эффект от сокращения вредных выбросов.

На рисунке 3 показана структурная блок-схема подзарядки резервных электрохимических аккумуляторов от батареи фотоэлектрических преобразователей.

1 – батарея фотоэлектрических преобразователей; 2 – контроллер заряда аккумуляторов;

3 – аккумуляторная батарея; 4 – инвертор напряжения;

5 – резервируемые потребители электроэнергии

Рисунок 3 – Структурная схема автономной солнечной электростанции резервирования ответственных потребителей электроэнергии МТФ

1 – photovoltaic converter battery; 2 – battery charge controller; 3 – storage battery; 4 – voltage inverter;

5 – backup consumers of electric power

Figure 3 – Structural diagram of an autonomous solar power plant for backup of responsible consumers of electric power on a dairy farm

Подобным образом для подзарядки резервных аккумуляторов можно применять и ветроэлектростанцию (рисунок 4). В обоих вариантах размеры, а следовательно, и стоимость преобразователей возобновляемых источников энергии будут незначительны.

Кроме резервного электроснабжения ответственных потребителей МТФ, возобновляемые источники энергии могут применяться и для других целей, например, для дежурного и охранного освещения, освещения территории механических токов и т.п. В этом случае для уменьшения размеров преобразователей ВИЭ рекомендуется использовать энергоэкономичные светодиодные источники света.

• 1    – ветроустановка; 2 – генератор постоянного тока; 3 – контроллер заряда аккумуляторов;

• 4 – аккумуляторная батарея; 5 – инвертор напряжения;

• 6 – резервируемые потребители электроэнергии

Рисунок 4 – Структурная схема автономной ветроэлектростанции резервирования ответственных потребителей электроэнергии МТФ

• 1    – wind turbine; 2 – DC generator; 3 – battery charge controller; 4 – storage battery; 5 – voltage inverter;

• 6 – backup consumers of electricity

Figure 4 – Structural diagram of an autonomous wind power plant for backup of responsible consumers of electricity on a dairy farm

Выводы. Не все технологические линии средних и крупных сельскохозяйственных производственных объектов требуют регламентированной надежности электроснабжения, а только некоторые технологические процессы. Мощность потребляемой энергии электромеханического оборудования особо важных технологических линий в десятки раз меньше установленной мощности всего производственного объекта, а непрерывная длительность процесса составляет 1–1,5 часа.

Наиболее вероятная длительность отказа сельских электрических сетей чуть более часа, а вероятность недопустимого простоя из-за отказа, например, для МТФ, превышает 0,1.

Наиболее эффективны для резервного электроснабжения электрохимические аккумуляторы, позволяющие практически мгновенно подавать напряжение при отказе электрических сетей. Однако необходимость систематической подзарядки из-за естественного саморазряда сдерживает их применение.

Расчетами установлено, что благодаря значительному превышению периода между отказами над продолжительностью резервируемого технологического процесса мощность преобразователей

ВИЭ может быть не менее, чем в десять раз меньше мощности резервируемого потребителя электроэнергии. Это позволяет предположить эффективность применения энергии солнечного излучения и ветра для подзарядки электрохимических аккумуляторов.