CC BY
3
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА XXXXXXX
4.3.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ _И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Научная статья УДК 621.311.243
DOI: 10.24412/2227-9407-2024-11-29-44 END: TJYEZW
Энергоснабжение малых молочных фермерских хозяйств Краснодарского края с использованием энергии солнца
Владимир Иванович Антонов
Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина, г. Краснодар, Россия vladimirantonov.23@yandex. ru
Аннотация
Введение. В Краснодарском крае проблема энергосбережения и рационального природопользования на предприятиях агропромышленного комплекса весьма актуальна, так как удельное потребление электроэнергии на единицу произведенной продукции в 2-3 раза больше, чем на подобных предприятиях в Западной Европе, а изношенность фондов системы энергообеспечения выше, чем в других аграрных регионах России. При этом Краснодарский край является перспективным регионом для строительства солнечных энергетических установок, благодаря высокой плотности поступающей солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния. Целью исследования является обоснование возможности использования комбинированных воздушных солнечных коллекторов для снижения затрат энергии малого молочного фермерского хозяйства, получаемой из традиционных источников в климатических условиях Краснодарского края.
Материалы и методы. Система уравнений, описывающая работу РУТ-коллектора, учитывает положение клапанов канала, температуру РУТ-коллектора, площадь апертуры коллектора, коэффициент тепловых потерь коллектора, коэффициент поглощения солнечной радиации, солнечную радиацию, падающую на коллектор, угол падения солнечных лучей, температуру теплоносителя внутри коллектора, температуру окружающей среды, скорость воздуха на входе в коллектор, высоту коллектора и потери напора на трение.
Результаты и обсуждение. Летом основное потребление энергии связано с вентиляцией и охлаждением молока, в то время как зимой большая часть энергии расходуется на отопление и освещение. Потребность фермы в электроэнергии составляет 13,7 МВтч в год. В зимний период существует потребность в отоплении, за все холодные месяцы составляющая 3,8 МВтч, а в теплые месяцы существует потребность в удалении тепла, составляющая 1,2 МВтч. Скорость движения воздуха не превышает 0,1 м/с в зимний период и 1 м/с в летний период, поэтому установка может использоваться для интенсификации вентиляции внутри фермы. Заключение. Ресурсы солнечной энергетики Краснодарского края позволяют использовать установки солнечного электроснабжения для малых фермерских хозяйств, в том числе для молочных ферм. Использование комбинированной солнечной фотоэлектрической тепловой воздушной солнечной установки позволит снизить затраты на приобретение тепловой энергии на 2,3 %, электрической - на 5,5 %.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, гелиоэнергетика, комбинированные системы, малые фермерские хозяйства, молочная ферма, ферма крупного рогатого скота, фотоэлектрические модули, электроснабжение
©Антонов В. И., 2024
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
29
Вестник НГИЭИ. 2024. № 1 (162). C. 29-44. ISSN 2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2024. № 11 (162). P. 29-44. ISSN 2227-9407 (Print)
Ff FrTHfrd f ТРГНМП! П/ZIFS FI РГТШГД I Frt/iiPMFAiT ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEC IRICAL EQUlPMENl
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
Для цитирования: Антонов В. И. Энергоснабжение малых молочных фермерских хозяйств Краснодарского края с использованием энергии солнца // Вестник НГИЭИ. 2024. № 11 (162). С. 29-44. DOI: 10.24412/22279407-2024-11-29-44. EDN: TJYEZW.
Power supply of small dairy farms in Krasnodar region using solar energy
Vladimir I. Antonov
Kuban State Agrarian University named after I. T. Trubilin, Krasnodar, Russia vladimirantonov.23@yandex. ru
Abstract
Introduction. In Krasnodar Krai, the problem of energy saving and rational use of natural resources at enterprises of the agro-industrial complex is very relevant, since the specific consumption of electricity per unit of output is 2-3 times higher than at similar enterprises in Western Europe, and the depreciation of the energy supply system funds is higher than in other agricultural regions of Russia. At the same time, Krasnodar Krai is a promising region for the construction of solar power plants, due to the high density of incoming solar radiation and the duration of sunshine. The purpose of the study is to substantiate the possibility of using combined air solar collectors to reduce the energy costs of a small dairy farm obtained from traditional sources in the climatic conditions of Krasnodar Krai. Materials and methods. The system of equations describing the operation of the PVT collector takes into account the position of the channel valves, the temperature of the PVT collector, the area of the collector aperture, the heat loss coefficient of the collector, the absorption coefficient of solar radiation, solar radiation incident on the collector, the angle of incidence of solar rays, the temperature of the coolant inside the collector, the ambient temperature, the air velocity at the inlet to the collector, the height of the collector and friction pressure losses.
Results and discussion. In summer, the main energy consumption is associated with ventilation and cooling of milk, while in winter most of the energy is spent on heating and lighting. The farm's electricity demand is 13.7 MWh per year. In winter, there is a heating demand for all cold months of 3.8 MWh, and in warm months there is a heat removal demand of 1.2 MWh. The air velocity does not exceed 0.1 m/s in winter and 1 m/s in summer, so the unit can be used to intensify ventilation inside the farm.
Conclusion. The solar energy resources of the Krasnodar Territory make it possible to use solar power supply units for small farms, including dairy farms. The use of a combined solar photovoltaic thermal air solar unit will reduce the cost of purchasing thermal energy by 2.3 %, and electricity by 5.5 %.
Keywords: renewable energy, solar energy, combined systems, small farms, dairy farm, cattle farm, photovoltaic modules, power supply
For citation: Antonov V. I. Power supply of small dairy farms in Krasnodar region using solar energy // Bulletin NGIEI. 2024. № 11 (162). P. 29-44. DOI: 10.24412/2227-9407-2024-11-29-44. EDN: TJYEZW.
Введение
В Краснодарском крае проблема энергосбережения и рационального природопользования на предприятиях агропромышленного комплекса весьма актуальна, так как удельное потребление электроэнергии на единицу произведенной продукции в 2-3 раза больше, чем на подобных предприятиях в Западной Европе [1]. Именно поэтому сегодня существует необходимость совершенствования энергообеспечения в агропромышленном производстве, а также внедрения в энергосистему возобновляемых ресурсов и поисков совершенствования технологий их использования.
В Краснодарском крае, особенно в аграрной его части, существует ряд проблем энергообеспечения, основными из которых являются: нестабильное напряжение, перепады напряжения, отключения электроэнергии [2]. По словам директора ООО «Кубань-трансэнерго» Герасименко В. В.1, «износ оборудования составляет в среднем около 70 % при среднем по России - 52 %, поскольку модернизация подстанций, электрических и тепловых сетей в последние 7-10 лет практически не проводилась». Проблемы с электроснабжением негативно сказываются на деятельности малых фермерских хозяйств (МФХ). Отключения электроэнергии приводят к порче сельскохозяйствен-
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
ной продукции, перебоям в работе оборудования и ухудшению условий содержания животных.
При этом Краснодарский край является перспективным регионом для развития солнечной энергетики, благодаря высокой плотности поступающей солнечной радиации, среднегодовое значение которой доходит до 1400 кВтч/м в сутки, а продолжительность солнечного сияния составляет более 2000 часов в год [4]. Такие показатели позволяют эксплуатировать на территории края любые солнечные энергоустановки [5]. При использовании солнечной энергии для генерации электрической энергии при помощи фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) вырабатываемая мощность, в зависимости от ее вида, составляет 150-200 кВт ч/м2 [6]. Что говорит о ее возможности использования для электроснабжения малых фермерских хозяйств [7; 8; 9]. Использование солнечных энергосистем в энергоснабжении малых фермерских хозяйств имеет большие перспективы [10; 11]. Солнечные установки являются экологически чистыми и экономически выгодными источниками энергии. Они могут быть интегрированы в существующие энергосистемы для повышения их эффективности и снижения затрат на электроэнергию [12; 13; 14; 15]. Кроме того, использование солнечных энергосистем позволяет снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, что способствует улучшению экологической ситуации в регионе.
Целью исследования является обоснование возможности использования комбинированных воздушных солнечных коллекторов для снижения затрат энергии малого молочного фермерского хозяйства, получаемой из традиционных источников в климатических условиях Краснодарского края.
Материалы и методы
К малым фермерским хозяйствам в Краснодарском крае прежде всего относятся животноводческие фермы, птицеводческие фермы, растениеводческие фермы открытого и закрытого грунта, грибные фермы, аквакультура, пасеки и туристические экофермы.
В Краснодарском крае хорошо развито малое животноводство. Прежде всего сюда относятся многочисленные ЛПХ по производству молока и молочной продукции, при этом наиболее популярными являются фермы по выращиванию крупного рогатого скота (КРС) и мелкого рогатого скота. При этом здание для содержания животных, как правило, вытянутой формы, длина здания значительно превышает ширину, из-за чего на боковую поверхность
здания в течение дня поступает большое количество солнечной радиации. Такая форма здания позволяет получать большое количество солнечной радиации, а высота стен более 3 м подходит для размещения воздушных солнечных коллекторов с естественной циркуляцией [16]. Использование солнечных установок, совмещенных с фасадами агропромышленных зданий (рис. 1), особенно эффективно, так как позволяет снизить занимаемые установкой площади, дополнительно повысить теплоизоляционные свойства ограждающих конструкций и улучшить микроклиматические параметры внутри зданий.
РУТ-коллекторы более эффективны, чем традиционные фотоэлектрические панели или тепловые солнечные коллекторы, используемые по отдельности. РУТ-коллекторы производят как электричество, так и тепло, что делает их универсальным решением для энергетических потребностей, они занимают меньше места, чем установка отдельных фотоэлектрических панелей и тепловых солнечных коллекторов и могут снизить общие затраты на установку и эксплуатацию по сравнению с отдельными системами [17; 18; 19].
РУТ-коллектор состоит из корпуса с элементами крепления, перегородок, образующих каналы для движения воздуха, солнечной фотоэлектрической панели, контроллера, аккумуляторных батарей, инвертора, клапанов для регулирования потоков воздуха, механизма открывания-закрывания клапанов, автоматизированной системы управления клапанами, оснащенной датчиками температуры и скорости движения воздуха.
Комбинированный воздушный солнечный коллектор работает следующим образом. В дневное время солнечный свет поступает на лицевую сторону комбинированного воздушного солнечного коллектора, на которой закреплены фотоэлектрические панели, которые поглощают падающее излучение и преобразуют его в электрическую энергию постоянного тока и тепло, электрическая энергия поступает в контроллер, который перенаправляет ее на инвертор, автоматическую систему управления клапанов или на аккумуляторные батареи для временного хранения, в зависимости от текущих потребностей [20].
Комбинации положения клапанов могут создавать пять режимов работы РУТ-коллектора.
Первый режим - клапаны закрыты, установка выполняет роль тепловой изоляции, уменьшая теплообмен между помещением и окружающей средой через наружные ограждающие конструкции.
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Рис. 1. Конструктивный чертеж PVT-коллектора: 1, 3 - крепления; 2, 4 - горизонтальный
и вертикальный тепловые каналы; 5 - фотоэлектрическая панель; 9 - стена; 10 - тепловая изоляция; 11 - стенка канала Fig. 1. Structural drawing of PVT collector: 1, 3 - fasteners; 2, 4 - horizontal and vertical heat channels; 5 - photovoltaic panel; 9 - wall; 10 - thermal insulation; 11 - channel machine Источник: разработано автором в соавторстве с Р. А. Амерхановым2 и А. С. Кириченко3
Второй режим - нижний и верхний внешние клапаны открыты, нижний и верхний внутренние клапаны закрыты. Наружный воздух поступает в канал через нижний внешний клапан для охлаждения солнечной панели, забрав тепло, воздух выходит из канала через верхний внешний клапан.
Третий режим - нижний и верхний внешние клапаны закрыты, нижний и верхний внутренние клапаны открыты. Этот режим обеспечивает два вида воздухообмена. Первый используется для нагрева внутреннего воздуха, тогда холодный внутренний воздух поступает в канал через нижний
внутренний клапан, забирает тепло от солнечной панели и возвращается нагретым в помещение через верхний внутренний клапан. Второй используется для охлаждения внутреннего воздуха, тогда горячий воздух поступает в канал через верхний внутренний клапан, отдает тепло окружающей среде и возвращается охлажденным в помещение через нижний внутренний клапан.
Четвертый режим - нижний внешний клапан открыт, верхний внешний клапан закрыт, нижний внутренний клапан закрыт, верхний внутренний клапан открыт. Этот режим обеспечивает два вида воздухообмена. Первый используется для воздухообмена с внешней средой и подачи в помещение нагретого воздуха, тогда холодный наружный воздух поступает в канал через нижний внешний клапан, забирает тепло от солнечной панели и возвращается нагретым в помещение через верхний внутренний клапан. Второй используется для воздухообмена с внешней средой и удаления из помещения нагретого воздуха, тогда горячий воздух поступает в канал через верхний внутренний клапан, отдает тепло окружающей среде и удаляется через нижний внутренний клапан.
Пятый режим - нижний внешний клапан закрыт, верхний внешний клапан открыт, нижний внутренний клапан открыт, верхний внутренний клапан закрыт. Этот режим используется для воздухообмена с внешней средой, тогда воздух из помещения поступает в канал через нижний внутренний клапан, отбирает тепло у солнечной панели и удаляется через верхний внешний клапан.
Система уравнений, описывающая работу РУТ-коллектора с учетом положения клапанов, имеет следующий вид:
P(T) = Pstc -[1-ß -(Тпов -Tstc)]; Q = AFr- (Gt - Frul ■ (Tm - Ta) );
а
Т
1 л
Тн4+/
x
= Тн+ a x (1 + cos ß) 2
Тн ) +
о
+ (1 - а)
(Чс Чизл)
а
Vout = К •
м
(vin2 - 2 • д • (h + hf))
(Тпов + Тн)
где К - положение клапанов канала (0 - канал закрыт; 1 - канал открыт); P(T) - мощность ФЭП при температуре Т, Вт; Р бтс - выработка ФЭП при стандартных тестовых условиях ^ТС), Вт; р - тем-
V
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
пературный коэффициент, % на °С; Тпов - рабочая температура ФЭП, °С; Тбтс - температура при стандартных тестовых условиях, ТБТ С = 25 °С; Q - полезное тепло, полученное коллектором, Вт; А - площадь апертуры коллектора, м2; FR - модифицированный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/м2 °С; FRUL - модифицированный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/м2°С; GT -общая солнечная радиация, падающая на коллектор, Вт/м2; Тт - средняя температура теплоносителя внутри коллектора, °С; Та - температура окружающей среды, °С; Тпов - температура на поверхности фасада, °С; Тн - температура наружного воздуха, °С; а - коэффициент поглощения солнечной радиации;
а - постоянная Стефана-Больцмана, 5,6710-8 Вт/(м2-К4); I - интенсивность солнечной радиации, Вт/м2; в - угол падения солнечных лучей, град; qс -плотность солнечного потока, Вт/м2; qизл - плотность потока излучения от фасада, Вт/м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; vin - скорость воздуха на входе, м/с; h - высота коллектора, м; hf -потери напора на трение, м.
Результаты График потребления электроэнергии на малых молочных фермах зависит от способа содержания и для беспривязного содержания с выпасом представлен на графике (рисунок 2).
----летнее потребление электроэнергии;--зимнее потребление электроэнергии
----summer electricity consumption;--winter electricity consumption
Рис. 2. Графики электропотребления молочной фермы на 20 голов Fig. 2. Energy consumption graphs for a 20-head dairy farm Источник: составлено автором на основании собственных данных
Оборудование фермы имеет следующий режим работы:
В ночные часы энергопотребление низкое и заключается в работе дежурного освещения, вентиляции и, в зимний период, отопления.
В утренние часы 4:00 - 6:00 энергопотребление среднее, включается основное освещение, начинается нагрев воды для мытья оборудования и вымени.
В 06:00 - 08:00 часов утра, после подготовительных работ начинается дойка с последующим кормлением животных, а также охлаждение и розлив молока. В это время энергопотребление максимальное.
С 08:00 до 10:00 энергопотребление снижается, основная часть энергии расходуется на вентиляцию, отопление, освещение и нагрев воды для очистки оборудования.
С 10:00 до 16:00 в летний период энергия не потребляется, так как животные находятся на свободном выпасе, а в зимний расходуется на обогрев для предотвращения выхолаживания помещения.
С 16:00 до 18:00 часов энергопотребление среднее, включается основное освещение, начинается нагрев воды для мытья оборудования и вымени.
В 18:00 - 20:00 часов, после подготовительных работ начинается вторая дойка с последующим кормлением животных, а также охлаждение и
i electrical technologies, electrical equipment
AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
розлив молока. В это время энергопотребление максимальное.
С 20:00 до 22:00 энергопотребление снижается, основная часть энергии расходуется на вентиляцию, отопление, освещение и нагрев воды для очистки оборудования.
22:00 - 06:00 - энергопотребление низкое, работает дежурное освещение, вентиляция и отопление.
Годовой график электропотребления малой молочной фермы беспривязного содержания с выпасом представлен на графике (рис. 3).
Рис. 3. Годовой график электропотребления молочной фермы на 20 голов КРС Fig. 3. Annual energy consumption graph of a dairy farm with 20 heads of cattle Источник: составлено автором на основании собственных данных
Основные потребители электроэнергии на ферме крупного рогатого скота (КРС): освещение, которое включает освещение коровников, доильных залов, складов и других помещений; доильное оборудование, которое включает электрические доильные аппараты и системы; системы вентиляции и отопления, которые включают вентиляторы, обогреватели и кондиционеры для поддержания оптимального микроклимата; насосы и системы водоснабжения, которые включают насосы для подачи воды и системы автоматического поения; кормораздатчики и измельчители кормов; оборудование для уборки навоза, которое включает электрические скребки и транспортеры для удаления навоза; холодильники и морозильники для хранения молока и других продуктов [10].
Летом основное потребление энергии связано с вентиляцией и охлаждением молока, в то время
как зимой большая часть энергии расходуется на отопление и освещение.
Теплоэнергетический баланс фермы (рис. 4) рассчитывается исходя из того, что согласно нормам проектирования животноводческих помещений для КРС оптимальным микроклиматом считаются такие параметры: оптимальная температура -от 8 до 15 °С, относительная влажность воздуха -от 65 до 75 %. Воздухообмен рассчитывается из параметра 17 м3/ч на 100 кг, оптимальная скорость движения воздуха в коровнике должна равняться 0,1 м/с зимой, до 1,0 м/с летом. Тепловыделение коров зависит от множества факторов, включая их вес, возраст, породу, уровень активности и условия содержания. В среднем взрослая корова может выделять около 800 Вт тепла в состоянии покоя. Таким образом, для 20 коров общее тепловыделение составляет 16 кВт.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА XXXXXXX
W, кВт ч
1000
1500
-2000
Рис. 4. Теплоэнергетический баланс фермы, кВтч Fig. 4. Heat balance of the farm, kWh Источник: составлено автором на основании собственных данных
Здание фермы ориентировано длинной сторо- южную стену фермы за сутки и за год представлено ной на юг. Поступление солнечной радиации на на графиках (рис. 5, 6).
Ег кВт/ил'
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 О
ООООООООООООООООООООООО
ИНгННИИНИНН[Мп||Ч1Ч
--в июне;----в декабре
--in June;----in December
Рис. 5. Суточный график поступления солнечной радиации на вертикальную поверхность, кВт/м2 Fig. 5. Daily graph of solar radiation influx onto a vertical surface, kW/m2 Источник: составлено автором на основании данных ГИС ВИЭ России4.
Как мы видим на графике (рис. 2), для молочной фермы характерны два пика энергопотребления, поэтому при использовании систем солнечной энергетики пик выработки энергии приходится на полу-
денные часы (рис. 5), что говорит о необходимости использования аккумуляторов энергии или передавать часть энергии другим потребителям фермерского хозяйства.
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
МП феи M.]|I1 ¡1 Лр л-1Й 1ЛЮНЭ Mhinb Лиг № ДОТ i н I ] :-■ Ij Дн>к МЕСЯЦ
Рис. 6. Годовой график поступления солнечной радиации на вертикальную поверхность, кВтч/м2 Fig. 6. Annual graph of solar radiation influx onto a vertical surface, kW h/m2 Источник: составлено автором на основании данных ГИС ВИЭ России
Рассмотрим тепловой баланс установки в различных режимах работы, в полдень представлен на
рисунке 7, распределение в течение суток для 15 июня и 15 декабря на рисунках 8, 9.
Т/с
65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15
/ \
/
t ■ \
/
/ i
\ * — \ \
У
янв феп март лпр май июнь июль авг сен опт нояб дек месяц
Рис. 7. Температуры поверхности коллектора в полдень для 1-5 режимов работы Fig. 7. Collector surface temperatures at midday for operating modes 1-5 Источник: составлено автором на основании собственных данных
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
Рис. 8. Температуры поверхности коллектора 15 июня для 1-5 режимов работы Fig. 8. Collector surface temperatures on June 15 for operating modes 1-5 Источник: составлено автором на основании собственных данных
Рис. 9. Температуры поверхности коллектора 15 декабря для 1-5 режимов работы Fig. 9. Collector surface temperatures on December 15 for operating modes 1-5 Источник: составлено автором на основании собственных данных
Как видно из графиков, температура поверхности коллектора изменяется от температуры окружающей среды в ночное время до 21 °С зимой и до 89 °С летом.
Скорость движения воздуха внутри коллектора в освещенный период для различных режимов в полдень приведены на рисунке 10, для 15 июня и 15 декабря на рисунках 11, 12.
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Рис. 10. Скорость движения воздуха в канале в полдень для 1-3 режимов работы Fig. 10. Air movement speed in the channel at noon for operating modes 1-3 Источник: составлено автором на основании собственных данных
Рис. 11. Скорость движения воздуха в канале 15 июня для 1-3 режимов работы Fig. 11. Air movement speed in the channel on June 15 for operating modes 1-3 Источник: составлено автором на основании собственных данных
Скорость движения воздуха не превышает 0,1 м/с в зимний период и 1 м/с в летний период, поэтому установка может использоваться для интенсификации вентиляции внутри фермы.
Номинальная мощность панели при стандартных тестовых условиях ^ТС) для вертикального расположения на стене составляет 150 Вт/м2, КПД 15,6 %, график мощности ФЭП от температуры для вертикальной поверхности комбинированного сол-
нечного коллектора при температуре окружающей среды и одинаковом для каждого месяца потоке солнечного излучения 1000 Вт/м2 приведен на графике (рис. 13), КПД для климатических условий г. Краснодара - на рисунке 14, вырабатываемая ФЭП, с учетом охлаждения в комбинированной установке, энергия для климатических условий г. Краснодара -на рисунке 15.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
Рис. 12. Скорость движения воздуха в канале 15 декабря для 1-3 режимов работы Fig. 12. Air movement speed in the channel on December 15 for operating modes 1-3 Источник: составлено автором на основании собственных данных
155,00 150,00 145,00 140,00 135,00 130,00 125,00 120,00
янв фев март апр май июнь июль авг сен окт нояб дек
Рис. 13. Мощность ФЭП при температуре окружающей среды освещенности 1000 Вт/м2
для 1-5 режимов работы Fig. 13. Solar power at ambient temperature and illumination of 1000 W/m2 for operating modes 1-5 Источник: составлено автором на основании собственных данных
I ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND POWER SUPPLY OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
Рис. 14. КПД ФЭП при температуре окружающей среды и средней освещенности для различных месяцев года для 1-5 режимов работы Fig. 14. Efficiency of solar cells at ambient temperature and average illumination for different months of the year for operating modes 1-5 Источник: составлено автором на основании собственных данных
Рис. 15. Выработка энергии ФЭП при температуре окружающей среды и средней освещенности для различных месяцев года для 1-5 режимов работы Fig. 15. Solar energy production at ambient temperature and average illumination for different months of the year for operating modes 1-5 Источник: составлено автором на основании собственных данных
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ) И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА'
Обсуждение
Для определения величины энергосберегающего эффекта для рассматриваемого фермерского хозяйства определимся с максимальными размерами. Для рассматриваемого здания фермы площадь южной стены составляет 2.6^24 м. На ней поместится установка 2^24 м, состоящая из: воздушного солнечного коллектора размером 2x24 м с 600 вертикальными каналами, 30 солнечных панелей размерами 0,8 на 1,6 м каждая. Номинальная мощность - 4,8 кВт. Тепловая мощность - 0,8 кВт (2,9 МДж/ч). Годовая выработка электроэнергии - 752,64 кВт ч. Выработка тепловой энергии в холодный период -85,7 кВт ч (308,5 МДж).
В зимний период существует потребность в отоплении, за все холодные месяцы составляющая 3790 кВтч, а в теплые месяцы существует потребность в удалении тепла, составляющая 1230 кВтч.
Потребность фермы в электроэнергии составляет 13700 кВтч в год.
Температура поверхности коллектора изменяется от температуры окружающей среды в ночное время до 21 °С зимой и до 89 °С летом.
Скорость движения воздуха не превышает 0,1 м/с в зимний период и 1 м/с в летний период,
поэтому установка может использоваться для интенсификации вентиляции внутри фермы.
Использование охлаждения позволяет повысить КПД ФЭП, максимальный рост наблюдается в июле и составляет 0,13 %, что соответствует увеличению мощности на 2,3 Вт, это приводит к увеличению выработки энергии с 19,6 до 19,9 кВтч/м2 в год.
Заключение
Электроэнергетика Краснодарского края переживает кризис, который может быть смягчен за счет увеличения доли использования возобновляемых источников энергии. Ресурсы солнечной энергетики Краснодарского края позволяют использовать установки солнечного электроснабжения для малых фермерских хозяйств, в том числе для молочных ферм. Расположение солнечных модулей на кровле здания фермы, выгульных площадках и пастбищах позволяет максимально использовать свободную площадь фермерского хозяйства. При этом срок окупаемости не превышает установленный законодательно допустимый срок окупаемости энергогенерирующего оборудования. Использование комбинированной солнечной фотоэлектрической тепловой воздушной солнечной установки позволит снизить затраты на приобретение тепловой энергии на 2,3 %, электрической - на 5,5 %.
Примечания:
1 Электроэнергетический комплекс Краснодарского края: проблемы энергодефицита [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.garant.ru/company/cooperation/gov/action/regional/386027/ (дата обращения 28 октября 2024 г.).
2 Амерханов Р. А. - д.т.н., профессор, Spin-код: 4139-7234.
3 Кириченко А. С. - к.т.н., Spin-код: 2356-9945.
4 Геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии России». [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://gisre.ru (дата обращения 28 октября 2024 г.).
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Zhu N., Streimikis J., Yu Z., Balezentis T. Energy-sustainable agriculture in the European Union member states: Overall productivity growth and structural efficiency // Socio-Economic Planning Sciences. 2023. Vol. 87. 101520. DOI 10.1016/j.seps.2023.101520.
2. Зубко Д. В. Характеристика электроэнергетической отрасли Краснодарского края // Бюллетень науки и практики. 2017. № 12 (25). С. 300-306. DOI 10.5281/zenodo.1115911. EDN ZWSNER.
3. Григораш О. В., Воробьев Е. В., Ивановский О. Я., Коломейцев А. Э. Перспективы солнечной энергетики в России // Сельский механизатор. 2022. № 1. С. 30-31. EDN BNITVD.
4. Амерханов Р. А., Кириченко А. С., Куличкина А. А., Муртазаева Ю. Л. Особенности использования и развития возобновляемой энергетики в Краснодарском крае // Вестник аграрной науки Дона. 2015. № 1 (29). С. 26-38. EDN TZHMBF.
5. Оськин С. П., Арбузов В. В. Перспективы солнечной энергетики // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2024. № 6-3 (93). С. 190-194. DOI 10.24412/2500-1000-2024-6-3-190-194. EDN XJUZQP.
Ff fTTHfrd f ТРГНМП! n/ZIFS FI РГТШГД I Frt/iiPMFAiT ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUlPMENl
XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_
6. Соколов В. Ю., Соколова Т. Ю., Козловцев А. П., Туркин П. В. Солнечная энергия - перспективный источник для сельского хозяйства // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 5(103). С. 186-192. DOI 10.37670/2073-0853-2023-103-5-186-192. EDN CEKTIB.
7. Болтабоева М. Т. Гелиотехника: использование солнечной энергии в сельском хозяйстве // Вопросы науки и образования. 2018. № 3 (15). EDN YUGTUK.
8. Амерханов Р. А., Гольдман Р. Б., Дайбова Л. А. [и др.] Использование солнечной энергии в сельском хозяйстве // Энергосбережение и водоподготовка. 2019. № 1 (117). С. 73-79. EDN IRVXPX.
9. Тимофеев Е. В., Эрк А. Ф., Судаченко В. Н. [и др.] Целесообразность использования солнечных электростанций на сельских территориях // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 3 (100). С. 9-20. DOI 10.24411/0131-5226-2019-10181. EDN LNZQKH.
10. Тимофеев Е. В., Эрк А. Ф., Судаченко В. Н., Размук В. А. Оптимизация схем энергоснабжения современных сельскохозяйственных предприятий // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 94. С. 63-71. DOI 10.24411/0131-5226-201810008. EDN YWXXTU.
11. Kirichenko A. S., Kirichenko E. V. Assessment of the performance of implementation of renewable energy facilities with the prospect of hydrogen production using the example of southern Russia // International Journal of Hydrogen Energy. 2024. V. 85. P. 783-793. DOI 10.1016/j.ijhydene.2024.08.327.
12. Амерханов Р. А., Харченко Д. П., Квитко А. В., Таразанов В. И. Востребованность возобновляемых источников энергии // Сельский механизатор. 2023. № 11. С. 19-21. DOI 10.47336/0131-7393-2023-11-19-20-21. EDN CWFHHD.
13. Dean J., Vogel E., Murphy F. Modelling solar photovoltaic systems on dairy farms for cost savings and GHG emission reduction // Science of The Total Environment. 2024. P. 948. DOI 10.1016/j.scitotenv.2024.174874.
14. Амерханов Р. А., Богдан А. В., Кириченко А. С., Куличкина А. А. Современное состояние и перспективы развития тепловой солнечной энергетики // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 51. С. 111-116. EDN TKVBDP.
15. Амерханов Р. А., Кириченко А. С. Обоснование параметров комбинированной системы солнечного тепло- и холодоснабжения зданий // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2015. № 9 (165). С. 62-65. EDN UUMUGY.
16. Vokasa G. A., Theodoropoulos N. G., Georgioub D. P. Simulation of hybrid photovoltaic/thermal air systems on building facades // Energy Procedia. 2014. V. 50. P. 917-930. DOI 10.1016/j.egypro.2014.06.110
17. Loris A., Hosouli S., Lennermo G. [et al.] Evaluation of the Use of Concentrated Solar Photovoltaic Thermal Collectors (CPVT) in a Dairy and Swine Farm in Europe // ISES Solar World Congress 2021. 2021. DOI 10.18086/swc.2021.29.05.
18. Furbo S., Perers B., Dragsted J. [et al.] Best practices for PVT technology // SWC 2021: ISES Solar World Congress. International Solar Energy Society, 2021. P. 420-429. DOI 10.18086/swc.2021.22.04.
19. Стоянов Н. И., Воронин А. И., Стоянов А. Г., Шагров А. В. Повышение эффективности энергоснабжения от гибридного солнечного коллектора // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 5 (169). С. 14-18. DOI 10.15518/isjaee.2015.05.001. EDN TQQMYR.
20. Амерханов Р. А., Антонов В. И., Кириченко А. С. Комбинированная система тепло- и электроснабжения потребителей с использованием энергии солнца // Энергосбережение и водоподготовка. 2022. № 6 (140). С. 25-28. EDN TYMPUH.
Дата поступления статьи в редакцию 03.09.2024; одобрена после рецензирования 01.10.2024;
принята к публикации 02.10.2024.
Информация об авторе: В. И. Антонов - аспирант, Spin-код: 3619-3639.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА XXXXXXX
REFERENCES
1. Zhu N., Streimikis J., Yu Z., Balezentis T. Energy-sustainable agriculture in the European Union member states: Overall productivity growth and structural efficiency, Socio-Economic Planning Sciences, 2023, Vol. 87, 101520, DOI 10.1016/j.seps.2023.101520.
2. Zubko D. V. Harakteristika elektroenergeticheskoj otrasli Krasnodarskogo kraya [Characteristics of the electric power industry of the Krasnodar Territory], Byulleten' nauki i praktiki [Bulletin of Science and practice], 2017, No. 12 (25), pp. 300-306, DOI 10.5281/zenodo.1115911, EDN ZWSNER.
3. Grigorash O. V., Vorob'ev E. V., Ivanovskij O. Ya., Kolomejcev A. E. Perspektivy solnechnoj energetiki v Rossii [Prospects of solar energy in Russia], Sel'skij mekhanizator [Rural mechanizer], 2022, No. 1, pp. 30-31, EDN BNITVD.
4. Amerhanov R. A., Kirichenko A. S., Kulichkina A. A., Murtazaeva Yu. L. Osobennosti ispol'zovaniya i razvitiya vozobnovlyaemoj energetiki v Krasnodarskom krae [Features of the use and development of renewable energy in the Krasnodar Territory], Vestnik agrarnoj nauki Dona [Bulletin of agrarian science of the Don], 2015, No. 1 (29), pp. 26-38, EDN TZHMBF.
5. Os'kin S. P., Arbuzov V. V. Perspektivy solnechnoj energetiki [Prospects of solar energy], Mezhdunarodnyj zhurnal gumanitarnyh i estestvennyh nauk [International Journal of Humanities and Natural Sciences], 2024, No. 6-3 (93), pp. 190-194, DOI 10.24412/2500-1000-2024-6-3-190-194, EDN XJUZQP.
6. Sokolov V. Yu., Sokolova T. Yu., Kozlovcev A. P., Turkin P. V. Solnechnaya energiya - perspektivnyj isto-chnik dlya sel'skogo hozyajstva [Solar energy is a promising source for agriculture], Izvestiya Orenburgskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Orenburg State Agrarian University], 2023, No. 5 (103), pp. 186-192, DOI 10.37670/2073-0853-2023-103-5-186-192, EDN CEKTIB.
7. Boltaboeva M. T. Geliotekhnika: ispol'zovanie solnechnoj energii v sel'skom hozyajstve [Solar engineering: the use of solar energy in agriculture], Voprosy nauki i obrazovaniya [Issues of science and education], 2018, No. 3 (15), EDN YUGTUK.
8. Amerhanov R. A., Gol'dman R. B., Dajbova L. A. [i dr.] Ispol'zovanie solnechnoj energii v sel'skom hozyajstve [The use of solar energy in agriculture], Energosberezhenie i vodopodgotovka [Energy saving and water treatment], 2019, No. 1 (117), pp. 73-79, EDN IRVXPX.
9. Timofeev E. V., Erk A. F., Sudachenko V. N. [i dr.] Celesoobraznost' ispol'zovaniya solnechnyh elektrostancij na sel'skih territoriyah [Expediency of using solar power plants in rural areas], Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva [Technologies and technical means of mechanized production of crop and livestock products], 2019, No. 3 (100), pp. 9-20, DOI 10.24411/0131-5226-201910181, EDN LNZQKH.
10. Timofeev E. V., Erk A. F., Sudachenko V. N., Razmuk V. A. Optimizaciya skhem energosnabzheniya sovre-mennyh sel'skohozyajstvennyh predpriyatij [Optimization of energy supply schemes of modern agricultural enterprises], Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proiz-vodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovod-stva [Technologies and technical means of mechanized production of crop and livestock products], 2018, No. 94, pp. 63-71, DOI 10.24411/0131-5226-2018-10008, EDN YWXXTU.
11. Kirichenko A. S., Kirichenko E. V. Assessment of the performance of implementation of renewable energy facilities with the prospect of hydrogen production using the example of southern Russia, International Journal of Hydrogen Energy, 2024, Vol. 85, pp. 783-793, DOI 10.1016/j.ijhydene.2024.08.327.
12. Amerhanov R. A., Harchenko D. P., Kvitko A. V., Tarazanov V. I. Vostrebovannost' vozobnovlyaemyh isto-chnikov energii [The demand for renewable energy sources], Sel'skij mekhanizator [Rural mechanizer], 2023, No. 11, pp. 19-21, DOI 10.47336/0131-7393-2023-11-19-20-21, EDN CWFHHD.
13. Dean J., Vogel E., Murphy F. Modelling solar photovoltaic systems on dairy farms for cost savings and GHG emission reduction, Science of The Total Environment, 2024, pp. 948, DOI 10.1016/j.scitotenv.2024.174874.
14. Amerhanov R. A., Bogdan A. V., Kirichenko A. S., Kulichkina A. A. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya teplovoj solnechnoj energetiki [The current state and prospects of development of thermal solar energy], Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Kuban State Agrarian University], 2014, No. 51, pp. 111-116, EDN TKVBDP.
Ff fTTHfrd f ТРГНМП! n/ZIFS FI РГТШГД I Frt/iiPMFAiT ELEClRlCAL TECHNOLOGIES, ELEClRlCAL EQUIPMENT
XXXXXXXX and power supply of the agro-industrial complex XXXXXXXX_
15. Amerhanov R. A., Kirichenko A. S. Obosnovanie parametrov kombinirovannoj sistemy solnechnogo teplo- i holodosnabzheniya zdanij [Substantiation of parameters of a combined solar heat and cold supply system for buildings],
Santekhnika, Otoplenie, Kondicionirovanie [Plumbing, Heating, Air conditioning], 2015, No. 9 (165), pp. 62-65, EDN UUMUGY.
16. Vokasa G. A., Theodoropoulos N. G., Georgioub D. P. Simulation of hybrid photovoltaic/thermal air systems on building facades, Energy Procedia, 2014, Vol. 50, pp. 917-930, DOI 10.1016/j.egypro.2014.06.110
17. Loris A., Hosouli S., Lennermo G. [et al.] Evaluation of the Use of Concentrated Solar Photovoltaic Thermal Collectors (CPVT) in a Dairy and Swine Farm in Europe, ISES Solar World Congress 2021, 2021, DOI 10.18086/swc.2021.29.05.
18. Furbo S., Perers B., Dragsted J. [et al.] Best practices for PVT technology, SWC 2021: ISES Solar World Congress. International Solar Energy Society, 2021, pp. 420-429, DOI 10.18086/swc.2021.22.04.
19. Stoyanov N. I., Voronin A. I., Stoyanov A. G., Shagrov A. V. Povyshenie effektivnosti energosnabzheniya ot gibridnogo solnechnogo kollektora [Improving the efficiency of energy supply from a hybrid solar collector], Mezhdunarodnyj nauchnyj zhurnal Al'ternativnaya energetika i ekologiya [International Scientific Journal Alternative Energy and Ecology], 2015, No. 5 (169), pp. 14-18, DOI 10.15518/isjaee.2015.05.001, EDN TQQMYR.
20. Amerhanov R. A., Antonov V. I., Kirichenko A. S. Kombinirovannaya sistema teplo- i elektrosnabzhe-niya potrebitelej s ispol'zovaniem energii solnca [Combined heat and power supply system for consumers using solar energy], Energosberezhenie i vodopodgotovka [Energy saving and water treatment], 2022, No. 6 (140), pp. 25-28, EDN TYMPUH.
The article was submitted 03.09.2024; approved after reviewing 01.10.2024; accepted for publication 02.10.2024.
Information about the authors: V. I. Antonov - postgraduate student, Spin-code: 3619-3639.
