ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УДК 621.311.25

76
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 621.311.25
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
И.М. Кирпичникова
Заведующая кафедрой электротехники и возобновляемых источников энергии
Южно-Уральского государственного университета (Национального исследовательского
университета) (г. Челябинск), доктор технических наук, e-mail: ionkim@mail.ru
А.А. Малюгина
Аспирант кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии
Южно-Уральского государственного университета (Национального
исследовательского университета) (г. Челябинск), e-mail: step_up08@mail.ru
С.А. Малюгин
Аспирант кафедры применения электрической энергии в сельском хозяйстве
Челябинской государственной агроинженерной академии, e-mail: chelboy174@mail.ru
Рассмотрена возможность использования солнечной энергии в процессах сельскохозяйственного производства для районов, удаленных от централизованных электросетей. Показана целесообразность применения фотоэлектрических установок (солнечных модулей) для орошения, очистки воды, сушки семян и овощей. Для обогрева теплиц
и выращивания рассады эффективно применение солнечных коллекторов. В качестве
примера на основании данных о поступлении солнечной радиации приведены расчеты
выработки тепловой и электрической энергии солнечными установками в одном из районов Челябинской области и показана возможность использования солнечной энергии
для электро- и теплоснабжения объектов сельского хозяйства этого района.
Ключевые слова: солнечная энергия, сушка продуктов, водоснабжение, обогрев теплиц, приход солнечной радиации.
Сельское хозяйство в отличие от крупных
промышленных объектов или мегаполисов
имеет ту отличительную особенность, что небольшие потребители электрической энергии
могут быть расположены в удаленности от централизованных сетей. Прокладка линий электропередач до таких объектов, как правило,
является экономически невыгодной.
Для электроснабжения потребителей отдаленных районов, в том числе и для проведения
сельхозработ, часто используются дизельные
электростанции или установки, работающие на
газе. Однако помимо обеспечения энергией такие системы имеют и недостатки:
1. Топливо необходимо транспортировать к
месту расположения генератора электростанции, который может находиться на большом
расстоянии. Учитывая не совсем хорошее качество сельских дорог, особенно в периоды распутицы, эта доставка может быть затруднена.
2. Шум работающей электростанции и газы
могут отрицательно сказываться на сельскохозяйственных животных и птице.
3. Разлив топлива загрязняет почву и водоемы.
4. Работа генератора требует специального
обслуживания и запчастей, которые не всегда
доступны.
electrotech@v-itc.ru
Аналогичные проблемы возникают и при использовании таких энергоисточников, как пропан или баллонный газ.
Альтернативой для многих сельскохозяйственных районов может быть использование солнечной энергии. Современные, хорошо продуманные и простые в обслуживании солнечные
системы смогут обеспечить потребителей энергией, где это необходимо и когда это необходимо.
Мировой опыт работы солнечных систем
энергообеспечения доказал, что они экономически эффективны, надежны и являются основой повышения уровня производительности
сельского хозяйства.
В гелиоэнергетике существует два типа преобразователей энергии – те, которые преобразуют солнечные лучи в постоянный ток, и те,
которые преобразуют солнечную энергию в тепло. Оба типа имеют много приложений в сельскохозяйственных процессах.
Преобразование солнечной энергии в электрическую происходит в фотоэлементах или
модулях (PV). Когда фотоны света попадают на
поверхность модуля, выполненного из полупроводникового материала, они выбивают свободные электроны из атомов материала, и во
внешней цепи появляется постоянный ток.
www.v-itc.ru/electrotech
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Использование фотоэлектрических модулей
может быть достаточно эффективным для
фермерских хозяйств, особенно удаленных от
ЛЭП. Стоимость такой электроэнергии может
быть сопоставима с электроэнергией от сети, а
в дальнейшем, при повышении цен на энергоносители, будет еще меньше.
Фотоэлектричество целесообразно применять для внутреннего и внешнего освещения,
работы маломощных двигателей, открытия/закрытия ворот, электрических изгородей,
орошения, опреснения и очистки воды, светоловушек для насекомых, автоматического
включения кормушек и многого другого [1].
На рис. 1 показана схема фотоэлектрической насосной системы для подачи воды в резервуары и на орошаемые поля, которая является хорошей альтернативой механическим
двигателям и ручным насосам. Она исключительно хорошо подходит для мест выпаса животных и отдаленных пастбищ. Наиболее эффективная работа системы будет в летние жаркие дни, когда потребность в воде значительно
возрастает. Излишки воды накапливаются в
резервуарах или цистернах. Для увеличения
объемов закачиваемой воды устанавливают
большее количество солнечных модулей, система снабжается устройством слежения за
солнцем.
Правильно подобранная фотоэлектрическая
насосная система очень надежна, не требует
большого обслуживания и имеет высокую производительность. С помощью солнечного модуля мощностью 128 Вт насос может поднимать 3-4 тыс. литров воды за сутки из 200метровой скважины.
Сушка зерна и овощей является одним из
старых способов использования солнечной
энергии. При этом сушка происходит намного
быстрее и равномернее. Недостатком открытого способа является то, что зерновые и другие
77
культуры подвержены загрязнению пылью и
грязью, а также повреждению птицами и грызунами.
Во избежание этого используют специальные сушильные сооружения, состоящие из двух
основных частей: солнечного коллектора и сушильного шкафа (рис. 2). Коллектор поглощает
солнечные лучи и нагревает воздух, проходящий через него. Нагретый воздух путем естественной конвекции подается на сушильный
шкаф, где он проходит через ряд стеллажей с
находящимися на них продуктами питания. Подогретый воздух, отдавший большую часть тепла продуктам и забравший от них влагу, проходит через отверстия в верхней части шкафа.
Такая конструкция исключает наличие вентилятора для подъема воздуха вверх и использование электроподогрева, следовательно, снижает
затраты на сушку.
Для повышения эффективности использования солнечных лучей желоб с коллектором
должен быть ориентирован на южную сторону
с наиболее оптимальным углом наклона к горизонту. Объем воздуха, проходящего через
коллектор, а также его температуру можно регулировать с помощью задвижки на воздухозаборнике.
Вместо воздуха в солнечных коллекторах
можно использовать жидкий теплоноситель.
При этом увеличивается производительность
сушильного устройства, а при установке аккумулятора тепла, накапливающего излишки тепловой энергии, сушку можно производить и в
пасмурную погоду. В этом случае нагретый от
солнечных лучей воздух подается на стеллажи
через семена или фрукты с помощью вентиляторов. Конструкция коллектора и скорость воздушного потока зависят от количества высушиваемого материала, содержания влаги в нем,
влажности воздуха и интенсивности солнечного
излучения в течение всего сезона сушки.
Рис. 1. Использование солнечных насосов для закачки воды
в резервуары и орошения
Электротехнические комплексы и системы управления
№ 2/2015
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
78
Рис. 2. Сушка сельскохозяйственных культур с помощью солнечного коллектора
Рис. 3. Схема обогрева теплицы солнечными коллекторами: 1 – солнечные коллекторы;
2 – теплица; 3 – бойлер косвенного нагрева; 4 – бак-аккумулятор тепла; 5 – тепловой насос;
6 – циркуляционный насос; 7 – клапаны регулятора потока; 8 – контур подогрева грунта теплицы
(аккумулятор тепла): 9 – гидравлические аккумуляторы; 10 – датчик влажности и температуры
грунта; 11- логический контроллер; 12 – трехходовые краны с сервоприводами; 13 – устройство
защитного отключения;14 – геотермальный контур.
Сушка сельскохозяйственных культур производится обычно в летнее время, в холодные же
периоды года солнечные коллекторы могут
быть использованы для обогрева помещения
или получения горячей воды. Таким образом,
подобные солнечные установки вполне рентабельны, они не требуют дополнительных источников энергии и затрат на электроэнергию,
обслуживание их минимально.
Подобные солнечные системы теплоснабжения могут эффективно использоваться для
обогрева теплиц и выращивания рассады [2]. В
ранние весенние месяцы с заходом солнца
обычные теплицы быстро остывают, и температура внутри резко падает. Солнечная теплица
открытой стороной ориентируется на юг, а северная сторона имеет хорошую теплоизоляцию, благодаря чему стабильная температура в
electrotech@v-itc.ru
ней сохраняется длительное время. Дополнительный обогрев теплицы осуществляется с
помощью солнечных коллекторов.
Солнечные коллекторы также имеют хорошую теплоизоляцию благодаря применению
качественной герметизации элементов самой
системы и созданию при этом полного вакуума.
С использованием таких коллекторов обогрев
теплицы может быть эффективным даже при
температурах окружающей среды до -25 °С. Такой диапазон рабочих температур позволяет
достигать высоких урожаев сельскохозяйственных культур круглый год. Если же температура
снизится более чем на 25 градусов, в схеме
предусмотрены вспомогательные средства подогрева (тепловой насос или обогревательный
ТЭН). Для накопления излишков тепла в схеме
используются специальные теплоаккумуляторы.
www.v-itc.ru/electrotech
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Применение солнечных установок в сельском хозяйстве является достаточно перспективным, т. к. используемая солнечная энергия
является экологически чистой, бесплатной и
может использоваться для электро- и теплоснабжения практически любых объектов и в
любых климатических условиях.
Рассмотрим далее возможность использования солнечной энергии для электро- и теплоснабжения объектов сельского хозяйства на
территории Челябинской области.
Область относится к зоне рискованного земледелия, и в то же время сельское хозяйство
имеет достаточно прочные позиции в ее экономической структуре. Развитие животноводства,
растениеводства и увеличение продукции производства сопровождаются ростом потребления электрической и тепловой энергии. Для
обеспечения этой потребности, и особенно для
отдаленных мест и районов децентрализованного электроснабжения, использование солнечной энергии также целесообразно. Основанием для расчета солнечного потенциала местности являются данные Атласа солнечного
климата России, многолетних наблюдений метеостанций, солнечный кадастр области, природные условия и данные наблюдений.
Валовый удельный приход солнечной радиации в течение года на площадку, расположенную под углом 55º (географическая широта
Челябинской области), показан на рис. 4.
На основании этих данных был рассчитан
технический и экономический потенциал поступления солнечной радиации для определения
возможности выработки тепловой и электрической энергии.
Рис. 4. Валовый приход солнечной радиации
в течение года, кВт·ч/м2 /месс
Расчет потенциала солнечной энергетики
был проведен для одного из показательных
районов области – Чебаркульского, расположенного в центре области.
Основными землепользователями в районе
являются сельскохозяйственные предприятия
(организации), крестьянские (фермерские) хозяйства и личные подсобные хозяйства.
79
Территория района характеризуется континентальным климатом с ярко выраженными
временами года, преобладающее направление
ветра – северо-западное. Основными особенностями климата являются холодная и продолжительная зима с частыми метелями, сухое и
жаркое лето [3].
Валовый и технический солнечный потенциал Чебаркульского района является основанием для расчета возможной выработки тепловой
и электрической энергии. Расчет необходимого
количества установок проведен для энергопотребности в 1 МВт.
Основная величина солнечной радиации для
географического положения района приходится
на весенние, летние и осенние месяцы. Большая часть солнечной энергии (около 80%) приходится на период с апреля по сентябрь, а
меньшая (20 %) – с декабря по март.
Между поступлением суммарной годовой
солнечной радиации и количеством полученной
теплоты существует определенная корреляция.
Количество поступающей теплоты оценивается
суммой годовых положительных температур.
Для территории Чебаркульского района средние значения сумм положительных температур
(t > 0) за последние годы наблюдений составляет 2200 ºС.
Валовый (теоретический) потенциал солнечной энергии представляет собой годовой
объем энергии, содержащейся в данном источнике при полном ее превращении в полезно
используемую энергию.
Значение суммарной годовой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность для широты 55°, составляет от 1050
до 1100 кВт·ч/м2. Для всей территории района,
общая площадь которого составляет 2879 км2,
суммарная годовая солнечная радиация эквивалентна 0,27·109 т.у.т.
Производство тепловой энергии путем преобразования солнечной осуществляется с помощью солнечных коллекторов. Для территории Чебаркуля дневная удельная теплопроизводительность коллекторов с мая по сентябрь равна от 6 до 8 МДж/м2. За сезон она составляет 646 МДж/м2. Это значение соответствует оптимальному для данной местности углу
наклона коллектора к горизонту, равного 20º.
Солнечные тепловые установки потенциально могут занимать 0,8 % общей площади,
что составляет 23 км2.
Технический потенциал солнечной энергии
для получения тепловой энергии для территории Чебаркульского района эквивалентен
1,32 млн т.у.т., т. е. в 200 раз меньше валового
потенциала.
Солнечными установками для горячего водоснабжения могут быть обеспечены 50 % населения сельской местности и 10 % городского населения. Это объясняется тем, что размещение
Электротехнические комплексы и системы управления
№ 2/2015
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
80
солнечных установок в городах при плотной
многоэтажной застройке затруднительно, тогда
как в сельской местности, коттеджных поселках
размещение установок, в том числе индивидуальных, не представляет проблемы. Общее количество жителей, проживающих на территории
Чебаркульского района, составляет 70, 7 тыс.
человек, из них 40, 9 тыс. человек – городское и
29, 8 тыс. человек – сельское население.
Количество удельной энергии, вырабатываемой солнечным коллектором за солнечный (с
мая по август) период в среднем составляет 1,17
МДж/м2 (0,325 кВт/м2). С учетом средней продолжительности солнечного сияния в летние
месяцы 8,5 ч для получения 1МВт (3,6 ·103 МДж)
тепловой мощности потребуется 463 шт. Площадь солнечных коллекторов в этом случае составит 578,75 м2. Данная система теплоснабжения может быть использована как дополнительный источник горячей воды в летний период.
Особенно эффективно это будет для районов, удаленных от централизованного теплоснабжения. В этом случае солнечные коллекторы могут работать в автономном режиме на
индивидуальных потребителей. Из-за транспортных расходов на традиционное топливо и
его потерь при транспортировке срок окупаемости для районов с индивидуальными источниками тепла будет меньше.
Например, для индивидуального дома в
летний период при интенсивности солнечного
излучения 5,6 кВт·ч/м2 в сутки с помощью солнечной установки, состоящей из 2-3 м2 солнечных коллекторов, можно получить до 100 литров горячей воды. Такая водонагревательная
установка может обеспечить нагрев воды в те-
чение дня до температуры не менее 45 °С с
вероятностью 70-80 % в теплое время года.
Для преобразования солнечной энергии в
электрическую необходимо использовать солнечные батареи (СБ). Исходя из опыта эксплуатации, площадь, занимаемая СБ, может быть
не более 0,1 % от площади, свободной от населенных пунктов, рек, лесов, дорог и т.д.
Технический потенциал солнечной энергии
для производства электроэнергии с помощью
солнечных батарей для Чебаркульского района
эквивалентен 0,11 млн т.у.т.
Расчет, проведенный для солнечного модуля типа ФСМ-190, мощностью 190 Вт на напряжение 24 В постоянного тока показал, что для
получения мощности в 1 МВт потребуется 5263
таких модулей. Для этого необходима площадь
6684 м2. Для размещения солнечных батарей,
как правило, используются крыши зданий, поэтому отчуждение отдельных площадей не требуется.
Наиболее рациональным использование
солнечных модулей будет для фермерских хозяйств, отдельно стоящих зданий, туристических баз и санаториев, которых на территории
района достаточно много.
Кроме обеспечения объектов электроэнергией, применение солнечных установок решает
и экологические вопросы.
Таким образом, проведенный расчет солнечного потенциала
и обзор возможности
сельских гелиоустановок, показал, что для территории Челябинской области использование
энергии солнца будет вполне обосновано и целесообразно для различных процессов сельскохозяйственного производства.
Литература
1. Кирпичникова, И.М. Опреснение воды с использованием энергий ветра и солнца [Текст] /
И.М. Кирпичникова // Вестник ЮУрГУ. Сер. Энергетика. – 2012. – Вып.17. – № 16(275). – С.22-25.
2. Солнечные коллекторы для теплицы [Электронный ресурс]. – Режим доступа :
http://www.vikertherm.ru/solnecinie-colectori/solnecinie-colectori-dlea-teplit.
3. Чебаркульский муниципальный район. Официальный сайт [Электронный ресурс]. – Режим
доступа : http://ch-adm.ru/eco.
THE USE OF SOLAR ENERGY IN AGRICULTURE
I.M. Kirpichnikova, A.A. Maliugina, S.A. Maliugin
The article discusses the possibility of using solar energy in agricultural production to areas
remote from centralized power grids. The expediency of using photovoltaic plants (solar modules)
for irrigation, water treatment, drying seeds and vegetables is shown. For heating greenhouses
and growing seedlings the use of solar collectors is efficient. As an example, on the basis of data
on solar radiation, presents calculations of thermal and electric energy production by solar installations in the one area of the Chelyabinsk region and shows the possibility of using solar energy
for electricity and heat supply of agricultural facilities in this area.
Keywords: solar energy, product drying, water supply, heating greenhouses, incoming of solar
radiation.
electrotech@v-itc.ru
www.v-itc.ru/electrotech