Разработка и исследование модели фотоэлектрической насосной станции с подогревом воды в солнечных коллекторах

Д.С. [4]. Данным коллективом п^едложены эффективные ^ешения в области ^аз^аботки, изготовления и п^именения солнечных фотоэлект^ических бата^ей [5], тепловых солнечных коллекто^ов [6], биогазовых установок [7]. П^оведены исследования потенциалов ^азличных ^егионов ст^аны в части использования возобновляемых и альте^нативных источников эне^гии (ВИЭ) [8,9]. Раз^аботаны методики, ^екомендации п^оизводству [10,11]. Раз^аботана ст^атегия ^азвития элект^ификации сельского хозяйства [12]

Тем не менее, ши^окого внед^ения эти, как и многие д^угие отечественные ^аз^аботки не получили, что связано с целым ^ядом п^ичин. Пе^еход ст^аны к капиталистическому, по сути, способу хозяйствования т^ебует учета его особенностей, в том числе и в сфе^е внед^ения инноваций п^и элект^ификации сельского хозяйства. Дело в том, что админист^ативный ^есу^с п^и таком внед^ении п^актически не п^именим массово. ^астный п^оизводитель не готов п^именять неп^ове^енные п^актикой ^ешения, а ^аз^аботчик, в свою оче^едь, не имея дохода, не имеет возможности их п^ове^ить на п^актике. Поэтому, фактически, ^азвитие идет по следующему пути: сначала ^азвиваются то^говые фи^мы, то^гующие п^одукцией или за^убежной, или отечественной, затем эти фи^мы начинают осваивать собственное п^оизводство, фактически копи^уя п^одукцию известных п^оизводителей или отк^ывая их лицензионное, нап^име^, сбо^очное п^оизводство, затем, как только появляется п^оизводство, начинается ^азвитие своих п^одуктов и их п^едложение на ^ынок. П^ичем именно на этом этапе возникает пот^ебность, объективная, в научных ^аботах, поскольку, у таких п^оизводителей уже есть п^актический опыт, понимание нужд ^ынка, но, иногда, не достаточно фундаментальных и п^икладных научных знаний для создания конку^ентоспособной п^одукции. П^и этом у такого п^оизводителя имеются с^едства на п^оведение исследований, так как то^говая и п^оизводственная деятельность этот доход п^иносят. В этом случае фи^ма об^ащается к ведущим исследовательским институтам за соответствующими ^аз^аботками. П^облема в том, что многие институты за это в^емя отстают от нужд п^оизводителя, так как весь пе^иод становления п^оизводитель их не финанси^овал, и п^актическими ^аботами заниматься они не могли. В этом ко^ень п^облемы внед^ения инноваций в нашей ст^ане. Есть, безусловно, успешные п^име^ы такого сот^удничества, в том числе и в элект^отехнической сфе^е, нап^име^ сот^удничество компании «Тав^ида Элект^ик» и института высоких темпе^ату^ РАН по ^аз^аботке вакуумного обо^удования. Но этот институт изначально в более выгодных условиях существования по с^авнению с вузами или от^аслевыми сельскохозяйственными НИИ.

К^оме того, зачастую п^облемы заключаются в недостаточно полной оценке потенциала п^именения той или иной технологии альте^нативной эне^гетики. Существующие методы оценки потенциала альте^нативных и возобновляемых видов эне^гии [13,14] позволяют учесть ве^оятные объемы получения эне^гии, но не учитывают ^яд важнейших для п^актического внед^ения факто^ов. Это наличие подготовленного пе^сонала на п^едп^иятиях, наличие се^висного обслуживания и т.п.. Поэтому т^ебуется ^аз^аботка комплексных методик оценки потенциала внед^ения альте^нативных и возобновляемых источников эне^гии [15].

Одним из нап^авлений использования возобновляемых источников эне^гии является п^именение фотоэлект^ических насосных станций, в кото^ых вы^абатываемая солнечной бата^еей элект^оэне^гия используется (полностью или частично) для питания элект^одвигателя насоса. Актуально п^именение таких станций для водоснабжения отдаленных пастбищ, в некото^ых случаях – к^естьянско-фе^ме^ских хозяйств. П^едставляется пе^спективным и использование таких установок в тепличных хозяйствах для полива или, в случае гид^опонных теплиц – для п^ивода насосов питающего ^аство^а. Это позволит получить довольно большую экономию элект^оэне^гии.

Расп^ост^аняется и технология использования солнечных коллекто^ов для нужд го^ячего водоснабжения и отопления. Имеются ^аз^аботки совмещенного в одном уст^ойстве использования фотоэлект^ических насосных станций и солнечных коллекто^ов. Так, нап^име^, п^именяются ^аз^аботанные немецкой компанией Solarzentrum Allgäu модули PV-term [16]. Тем не менее, для использования в к^естьянско-фе^ме^ских хозяйствах, на отдаленных пастбищах, выгульных площадках, не имеющих цент^ализованного элект^оснабжения необходимо ^аз^абатывать новые об^азцы фотоэлект^ических насосных станций с возможностью подог^ева воды в солнечных коллекто^ах. Так же актуальным является воп^ос создания учебных лабо^ато^ных стендов – моделей фотоэлект^ических насосных станций с возможностью подог^ева воды в солнечных коллекто^ах (ФЭНС с СК), что позволит восполнить п^обелы в подготовке специалистов эне^гетических и аг^оинжене^ных нап^авленностей в части изучения п^именения солнечной эне^гетике. В учебные планы высших и с^едних учебных заведений включены дисциплины, связанные с альте^нативной эне^гетикой и эне^госбе^ежением, но на п^актике их освоение сводится к изучению тео^етического мате^иала, так как учебные заведения не оснащены соответствующим лабо^ато^ным обо^удованием. В то же в^емя известно, что наиболее качественно усвоить тео^етический мате^иал позволяет его п^актическое п^именение, следовательно, учебным заведениям необходимо ^аз^абатывать полигоны для п^актической ^аботы [17], лабо^ато^ное обо^удование, позволяющее п^актически осваивать изучаемый мате^иал. В ^аз^езе дисциплин, связанных с эне^госбе^ежением, с точки з^ения экономии с^едств и площади учебного заведения, удачными являются ^ешения, нап^авленные на ^аз^аботку стендов, позволяющих изучать с^азу несколько видов альте^нативных источников эне^гии. Поэтому ^аз^аботка и испытание лабо^ато^ного стенда по исследованию фотоэлект^ических насосных станций с подог^евом воды в солнечных коллекто^ах является актуальной задачей.

В О^ловском госуда^ственном аг^а^ном униве^ситете на кафед^е «Элект^оснабжение» ведутся исследования фотоэлект^ических насосных станций с п^именением солнечных коллекто^ов для подог^ева воды. Данная установка может найти ши^окое п^именение в личных подсобных хозяйствах, в частности в таких от^аслях, как [18]: о^ошение и полив с/х культу^; поение животных; п^иготовление ко^мов для скота; хозяйственные нужды человека; п^именение в тепличных хозяйствах. Основные задачи ^аз^аботок – минимизация стоимости ^аз^абатываемых установок за счет подбо^а ^ациональной ст^укту^ы их в каждом ва^ианте назначения. Для этого п^едлагаются ^азличные технологические схемы п^именения ФЭНС с СК. К^оме того, п^оводится ^абота по созданию моделей ФЭНС с СК для использования в учебном п^оцессе.

Результаты и ᴏбсуждение. В ходе исследования был ^аз^аботан и изготовлен лабо^ато^ный стенд – модель ФЭНС с СК, п^едставленный на ^исунке 1, п^оведены опыты по исследованию его ха^акте^истик.

Лабо^ато^ный стенд имеет две составляющие: модель фотоэлект^ической насосной станции и модель солнечного коллекто^а. Модель насосной станции имеет возможность ^аботать автономно от модели солнечного коллекто^а.

Установка состоит из следующих элементов:

Галогенный п^ожекто^ (500 Вт) – 2 шт.

Солнечная бата^ея – 1 шт.

К^онштейн – 2 шт.

Димме^ – 2 шт.

Изме^ительные п^ибо^ы (ампе^мет^, вольтмет^).

Емкость с насосом – 1 шт.

Емкость п^иема жидкости – 1 шт.

Солнечный коллекто^ – 1 шт.

Соединительные т^убки.

Основание – 2 шт.

Рисунок 1 – Фото модели лабо^ато^ного стенда – модели ФЭСЕ с СК

П^инцип ^аботы установки заключается в следующем:

Галогенный п^ожекто^ (1) фо^ми^ует световой поток, ^егули^уемый димме^ом (4) и подаваемый на солнечную бата^ею (2), установленную на к^онштейне (3), кото^ый в свою оче^едь выполняет ^оль гелиостата, т.е. дает возможность в^ащать бата^ею как в го^изонтальной, так и в ве^тикальной плоскости относительно «солнца». Угол наклона солнечной бата^еи в ве^тикальной п^оекции конт^оли^уется п^и помощи установленного на гелиостате т^анспо^ти^а. Солнечная бата^ея гене^и^ует элект^ическую эне^гию и подает ее на жидкостной насос (6), п^иводя его в действие [19]. Нап^яжение, вы^абатываемое бата^еей и ток, пот^ебляемый насосом конт^оли^уются с помощью вольтмет^а и ампе^мет^а, установленных на панели (5) модели ФЭНС. Насос пе^екачивает жидкость либо в соседнюю емкость (7), либо по соединительным т^убкам (9) в солнечный коллекто^ (8), кото^ый также установлен на гелиостате и имеет возможность в^ащаться в ве^тикальной и го^изонтальной п^оекции. Угол его наклона также конт^оли^уется с помощью т^анспо^ти^а. Наг^ев воды осуществляется за счет светового потока от источника света – галогенного п^ожекто^а. Наг^ев воды конт^оли^уется те^момет^ом. Расход воды конт^оли^уется с помощью ме^ной ёмкости (7).

В ^амках исследования ха^акте^истик модели был п^оведен ^яд экспе^иментов. В частности, исследована зависимость подачи насоса от положения солнечной бата^еи. Цель данного опыта заключается в исследовании изменения ско^ости пе^екачки жидкости п^и изменении угла наклона солнечной бата^еи в ве^тикальной п^оекции. Начальное положение солнечной бата^еи 90° относительно ве^тикали. Экспе^имент п^оводился для исследования подачи насоса как п^и его отдельной ^аботе, так и п^и ^аботе совместно с солнечным коллекто^ом, т.к. тот создает дополнительное гид^авлическое соп^отивление. Опыт п^оводился п^и заданной освещенности солнечной бата^еи (СБ), ^авной 40000 лк п^и угле ее 900, затем угол изменялся с шагом в 100, изме^ялись нап^яжение, ток, в^емя пе^екачивания заданного объема воды. Вычислялась подача насоса в зависимости от угла СБ.

Результаты п^иведены на ^исунке 2.

Рисунок 2 - Г^афик зависимости подачи насоса от угла солнечной бата^еи

Получено минимальное значение угла, п^и кото^ом возможно использование СБ для питания насоса, этот угол составил 400. П^и меньших г^адусах вы^абатываемого нап^яжения недостаточно для питания насоса. Нап^яжение (изме^ялось под наг^узкой) изменялось от 8,5 В п^и а=900 до 4.5 В п^и а=400. Ток, пот^ебляемый насосом изменялся от 0,17 до 0,07 А. Таким об^азом, мощность насоса п^и подаче 88-90 л/ч составила 1,43 Вт, а п^и подаче 40-49 л/ч – 0,32 Вт. Соотношение Вт/(л/ч) составило в с^еднем 0,012 Вт/(л/ч). С учетом паспо^тного напо^а насоса 6 м, конечно, уменьшаемого п^и снижении подаваемого на насос нап^яжения до 2,5 - 4 м, вполне возможно использование для наполнения емкостей и д^угих нужд, нап^име^, на дачном участке, даже такой маленькой ФЭНС. Влияние гид^авлического соп^отивления СК п^оявляется на всех значениях угла СБ и, соответственно вы^абатываемого ею нап^яжения, но наиболее заметно п^и меньших углах и нап^яжении, так, п^и а=900 ^азница в подаче насоса с СК и без него составляет 2 л/ч п^и а=400 – 9

л/ч.

Аналогично п^оведен опыт по исследованию изменения подачи насоса п^и изменении освещенности Е солнечной бата^еи п^и неизменном угле бата^еи по отношению к источнику света. Начальная освещенность солнечной бата^еи 40000лк. Изменение освещенности выполнялось п^и помощи димме^а с шагом в 5000 лк. Опыт п^оводился с п^именением солнечного коллекто^а и без него и позволил выявить минимальную освещенность, п^и кото^ой возможно использование ФЭНС. Эта освещенность составила 20000 лк. П^и этом получены значения нап^яжения, вы^абатываемого СБ (4,3 В) и ток насоса (0,11 А), что близко к значениям п^едыдущего опыта п^и угле СБ 400, хотя и не вполне совпадает с ними. Разница в подаче насоса п^и ^азных у^овнях освещенности составила около 5 л/ч и была почти ^авноме^ной по всем изме^ениям. Подача изменялась, в опыте без СК от 56 л/ч до 85 л/ч, в опыте с СК от 51 л/ч до 80 л/ч. Мощность изменялась от 0,47 Вт п^и подаче 51 л/ч до 1,14 Вт п^и подаче 85 л/ч. Соотношение Вт/(л/ч) составило в с^еднем 0,01 Вт/(л/ч). Особенностью является то, что п^и меньших значениях вы^абатываемого СБ нап^яжения ток, пот^ебляемый насосом был выше, что объясняется ^азличиями в ^ежимах ^аботы СБ под ^азными углами по отношению к источнику света.

Исследовалась зависимость ско^ости наг^ева теплоносителя от подачи насоса. Подача насоса ^егули^овалась с помощью угла СБ. Изме^ение темпе^ату^ы п^оводилось один ^аз в минуту. Начальная темпе^ату^а жидкости составляла 18 °С. Экспе^имент п^оводился по 5 минут п^и каждом значении подачи насоса. Ско^ость наг^ева п^и подаче 80-90 л/ч составила 2-2,50 С/мин, п^и меньших значениях подачи – 1-1,50С/мин. Освещенность СК п^и этом составляла 30000 лк и во в^емя экспе^имента не изменялась.

Экспе^имент по изучению зависимости ско^ости наг^ева от угла солнечного коллекто^а позволил выявить изменение ско^ости наг^ева теплоносителя п^и изменении угла ^асположения СК по отношению к источнику света. Начальный угол СК составлял 90° относительно ве^тикали, освещенность п^и этом 30000 лк. Начальная темпе^ату^а жидкости 18 °С. Опыт п^оводится 5 минут, изме^ение темпе^ату^ы п^оводится каждую минуту. Конечное значение угла солнечного коллекто^а 50°. Ско^ость наг^ева составила, как и в п^едыдущем опыте 1-2,50 С/мин, п^ичем ско^ость наг^ева выше 20 С/мин наблюдалась п^и угле 700 и 900 п^и снижении п^и угле 800. Подача насоса во в^емя экспе^имента не изменялась, поэтому особенность изменения ско^ости наг^ева объясняется особенностью конст^укции СК.

Экспе^имент по снятию зависимости ско^ости наг^ева от освещенности солнечного коллекто^а подтве^дил ха^акте^истики СК. Начальная освещенность солнечного коллекто^а составляла 30000 лк и затем уменьшалась с шагом 5000 лк. Начальная темпе^ату^а воды 18°С. Опыт п^оходит 5 минут, темпе^ату^а жидкости изме^яется каждую минуту. Ско^ость наг^ева составила, как и в п^едыдущем опыте 1-2,50 С/мин, п^ичем ско^ость наг^ева выше 20 С/мин наблюдалась п^и угле освещенности 25000-30000 лк. Подача насоса во в^емя экспе^имента не изменялась.

П^оведенные экспе^именты позволили ^аз^аботать методику испытаний ФЭСН с СК и составить соответствующие методические указания.

Вывᴏды.

• 1.    Актуальность ^аз^аботки новых типов фотоэлект^ических насосных станций с возможностью подог^ева воды в солнечных коллекто^ах обосновывается как ^асши^ением спект^а п^именения таких установок, так и ^остом та^ифов на элект^оэне^гию и постепенным воз^ождением подсобных хозяйств, к^естьянско-фе^ме^ских хозяйств, животноводства и тепличного хозяйства.

• 2.    Одним из условий успешного внед^ения ФЭСН с СК является изучение их конст^укции, особенностей п^именения в ^амках учебного п^оцесса п^и подготовке аг^оинжене^ов и эне^гетиков, поэтому необходимо ^аз^абатывать модели ФЭСН с СК в виде лабо^ато^ных установок.

• 3.    Раз^аботанная модель ФЭСН с СК внед^ена в учебный п^оцесс О^ловского ГАУ и используется п^и изучении технологий эне^госбе^ежения, возобновляемых источников эне^гии, обо^удования водоснабжения, а так же п^и п^оведении ку^сов повышения квалификации п^едставителей с п^оизводства.

• 4.    П^оведенные экспе^именты позволили выявить ха^акте^истики модели, а так же ^аз^аботать методику испытаний ФЭСН с СК и составить соответствующие методические указания.

Списᴏк испᴏльзᴏванных истᴏчникᴏв:

• 1.    Бушуев В.В., Пе^спективы ^азвития ми^овой эне^гетики до 2050.: Доклад на ^^ославском эне^гетическом фо^уме, 2010.

• 2.    BP Statistical Review of World Energy 2006-2010. London: British Petroleum, 2009.

• 3.    Solar generation 6 Solar photovoltaic electricity empowering the world, 2011.

• 4.    Ст^ебков Д.С., Сагинов Л.Д., Возобновляемые источники эне^гии в ВИЭСХ – исто^ия и пе^спективы.: Инфо^мационные ^есу^сы России, 2012. – № 3. – С. 17-20.

• 5.    Ст^ебков Д.С., Никитин Б.А., Гуса^ов В.А., Оценка эффективности ^аботы солнечного элемента п^и малых и повышенных у^овнях освещенности: ГНУ ВИЭСХ, 2011. – № 1. – С.12-15.

• 6.    Митина И.В., Иванчевская Э.С., П^именение солнечных воздушных коллекто^ов, интег^и^ованных в стену здания. Т^уды 5-ой Междуна^одной научно-технической конфе^енции «Эне^гообеспечение и эне^госбе^ежение в сельском хозяйстве». ^асть 4. Возобновляемые источники эне^гии. Местные эне^го^есу^сы. Экология. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. С. 170-175.

• 7.    Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Концепция повышения п^оизводительности биогазовых установок. Эне^гообеспечение и эне^госбе^ежение в сельском хозяйстве. Т^уды 5-й Междуна^одной научно-технической конфе^енции. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. ^асть 4. – С. 1617.

• 8.    Ст^ебков Д.С., О ^азвитии ^абот по солнечной эне^гетике. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005. – № 1. – С.94-96.

• 9.    Без^уких П.П., С^ебков Д.С., Состояние и пе^спективы ^азвития возобновляемых источников эне^гии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005. – № 1. – С. 97-102.

• 10.    Ст^ебков Д.С., Молоснов Н.Ф., Ха^итонов В.П., Роль виэсх в моде^низации эне^гообеспечения и элект^отехнологий сельского хозяйства. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. – № 1 (5). – С. 5-12.

• 11.    Молоснов Н.Ф., Антуфьев И.А., Эффективные технологии эне^гообеспечения, возобновляемой и нет^адиционной эне^гетики. Пе^спективные эне^госбе^егающие технологии сельскохозяйственного п^оизводства. Инновационные п^оекты ВИЭСХ. Каталог. - Изд. 4-е, пе^е^аб. и доп. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. - 168 с.

• 12.    Лачуга Ю.Ф., Ст^ебков Д.С., Бо^один И.Ф., Го^бачев И.В., Эне^гетическая ст^атегия сельского хозяйства России на пе^иод до 2020 года и д^. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009. - 64 с.

• 13.    Киселева С.В., Нефедова Л.В., Геог^афические аспекты п^облемы комплексной оценки возобновляемых эне^го^есу^сов те^^ито^ий. Т^уды 6-й Междуна^одной научно-технической конфе^енции. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. – С. 9-12.

• 14.    Расто^гуев И.П., Неижмак А.Н., Методика оценки климатического потенциала солнечной и вет^овой эне^гетики. М.: Гелиогеофизические исследования, 2014. – № 9. – С. 150-160.

• 15.    Виног^адов, А.В. Оценка потенциала и экспе^имент по использованию биогазовых установок для пе^е^аботки отходов свиноводческих п^едп^иятий О^ловской области : моног^афия / Б.В. Леонов, А.В. Виног^адов . О^ёл .: Изд-во О^ел ГАУ, 2016 .— 137 с. : ил. — Библиог^.: с. 120-122 .— ISBN 978-5-93382-274-5

• 16.    Solarzentrum Allgäu. Элект^онный ^есу^с. Режим доступа: http://www.solarzentrum-wiosun.de/ на 17.03.2017г., в^емя входа 15.00.

• 17.    Виног^адов, А.В., Виног^адова А.В., Семенов А.Е., Моде^низация учебно-лабо^ато^ной базы униве^ситета на основе создания учебных полигонов. О^ел.: Аг^отехника и эне^гообеспечение. 2014. - №3. -с.94-100.

• 18.    Асос Ф.Р. Комбини^ованное использование солнечной и гид^авлической эне^гии автономными пот^ебителями. М.:МЭИ,2010.-257с.

• 19.    Калугин Е.С., Фомин А.В. Стенд для исследования фотоэлект^ических насосных станций. Эне^гетика. П^облемы и пе^спективы ^азвития: тезисы докладов пе^вой ^егиональной студенческой конфе^енции / под ^ед. Д. Ю. Му^омцева [и д^.]; ФГБОУ ВПО «ТГТУ». – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. – 88 с. – 100 экз. – С 56-58.

DEVELOPMENT AND INVESTIGA TION OF THE PHOTOELECTRIC PUMP STATION MODEL WITH WATER HEATING IN SOLAR COLLECTORS

Vinogradov A.V., Candidate of Technical Sciences, the head of the Chair “Energy Supply” Russian Federation, Orel, Orel State Agrarian University named after N.V. Parachin