CC BY
6
В.В. Волков, Б.В. Жеребцов [и др.] // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2013. № 2 (21). С. 87 - 91.
8. Пейль А.К., Жеребцов Б.В., Шахов В.А. Применение солнечного концентратора для получения тепловой
и электрической энергии в условиях климата города Тюмени // Современные научно-практические решения в АПК: сб. ст. II всерос. (национ.) науч.-практич. конф. Тюмень, 2018. С. 317 - 320.
Александр Константинович Пейль, аспирант. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, pejl.ak@asp.gausz.ru
Борис Викторович Жеребцов, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, zherebcovbv@gausz.ru
Alexander K. Peil, postgraduate. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, pejl.ak@asp.gausz.ru
Boris V. Zherebtsov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State
Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, zherebcovbv@gausz.ru
-♦-
Научная статья УДК 631.365.22
Адаптация солнечного энергокомплекса с параболическими желобами-концентраторами для эффективного использования в условиях климата юга Тюменской области
Александр Константинович Пейль, Леонид Николаевич Андреев
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Статья посвящена развитию альтернативной энергетики на юге Тюменской области. Данная статья доказывает, что использовать возобновляемые источники энергии можно не только в южных уголках мира, но и в регионах с непростым климатом. Основным условием является рациональный подход к вопросу и адаптация конкретной системы для эффективного использования. Важным аспектом для эффективной работы энергокомплекса является правильный выбор вида, конструкции и размера теплообменника. Основной сложностью в применении теплообменника совместно с концентрирующими солнечными системами является отсутствие возможности контролировать температуру теплоносителя, циркулирующего в желобах-концентраторах. Специфика тюменского климата, неблагоприятный температурный режим делают необходимым внесение конструктивных изменений в привычную конструкцию солнечного энергокомплекса с целью избежания или минимизации воздействий климата на систему и повышения ее эффективности.
Ключевые слова: энергокомплекс, жёлоб-концентратор, теплообменный аппарат, система аккумуляции тепла, турбоагрегат, генератор, адаптация.
Для цитирования: Пейль А.К., Андреев Л.Н. Адаптация солнечного энергокомплекса с параболическими желобами-концентраторами для эффективного использования в условиях климата юга Тюменской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 173 - 177.
Original article
Adaptation of a solar energy complex with parabolic concentrator troughs for effective use in the climate conditions of the southern Tyumen region
Alexander K. Peil, Leonid N. Andreev
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. The article is devoted to the development of alternative energy in the south of the Tyumen region. This article proves that it is possible to use renewable energy sources not only in the southern corners of the World, but also in regions with a difficult climate. The main condition is a rational approach to the issue and the adaptation of a specific system for effective use. An important aspect for the efficient operation of the energy complex is the correct choice of the type, design and size of the heat exchanger. The main difficulty in using the heat exchanger in conjunction with concentrating solar systems is the inability to control the temperature of the coolant circulating in the concentrator troughs. The specifics of the Tyumen climate, the unfavorable temperature regime, make it necessary to make structural changes to the usual design of the solar energy complex, in order to avoid or minimize the effects of climate on the system and increase its efficiency.
Keywords: power complex, trough-concentrator, heat exchanger, heat accumulation system, turbine unit, generator, adaptation.
For citation: Peil A.K., Andreev L.N. Adaptation of a solar energy complex with parabolic concentrator troughs for effective use in the climate conditions of the southern Tyumen region. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 173 - 177. (In Russ.).
Климат юга Тюменской области имеет ряд характерных особенностей и является не самым благоприятным для использования солнечного энергокомплекса в связи с холодной и продолжительной зимой. Однако большое количество солнечных дней заставляет задумываться об адаптации имеющихся солнечных систем, разработанных преимущественно для тёплых стран, к условиям климата юга Тюменской области [1].
Для адаптации солнечного энергокомплекса необходимо сформулировать и выделить основные тезисы, позволяющие его эффективное использование в условиях климата юга Тюменской области:
1) применение солнечного трекера для максимально эффективного использования энергии солнца;
2) выбор оптимальной рабочей жидкости с учётом климатических условий и температурного режима;
3) выбор оптимальной конструкции теплообменника, а также его дополнительной теплоизоляции для удержания тепла;
4) разработка технического решения для размещения системы аккумуляции тепловой энергии под землей для исключения негативного воздействия отрицательных температур на теплообменник в зимний период.
Главным элементом энергокомплекса является генератор с паровой турбиной. Расчёт требуемых характеристик всех элементов комплекса следует производить исходя из необходимой мощности
Рис. 1 - Кожухотрубный теплообменник с четырьмя контурами нагрева:
1 - электромеханический трёхходовой кран Т-типа; 2 - вход в трубную решётку; 3 - выход из трубной решётки; 4 - вход в межтрубное пространство; 5 - выход из межтрубного пространства; 6 - перегородка; 7 - первый контур нагрева; 8 - второй контур нагрева; 9 - третий контур нагрева; 10 -четвёртый контур нагрева
генератора и, как следствие, мощности турбины, и параметров, необходимых для её функционирования. К таким параметрам можно отнести: расход пара; требуемое давление пара; диапазон рабочих температур и др. Все эти параметры указаны в технической документации к генератору и турбине.
Для решения вышеобозначенной проблемы конструкция теплообменника должна предусматривать несколько контуров циркуляции рабочей жидкости для регулирования температуры. На рисунке 1 представлена схема кожухотрубного теплообменника с четырьмя контурами.
Теплоноситель, нагретый с помощью солнечной энергии, попадает в теплообменник через отверстие 4 и, проходя через теплообменник, выходит из него через отверстие 5. Равномерность нагрева трубок по всей длине обеспечивается перегородками 6. В зависимости от температуры теплоносителя при помощи контроллера и температурных датчиков происходит переключение электромеханических кранов 1 по заранее запрограммированной логике. Их переключение обеспечивает возможность направлять рабочую жидкость в нужное количество контуров нагрева. Прохождение жидкости через контур 7 означает прохождение через 1/4 часть площади теплообменника, через контуры 7, 8 - прохождение через 1/2 часть площади, 7, 8, 9 - через 3/4 и 7, 8, 9, 10 - через весь теплообменник соответственно.
Выбрав необходимый вид теплообменника и определив его конструктивные особенности, необходимо перейти к расчёту передачи тепла от одной жидкости к другой [2, 3].
Теплопередача при переменных температурах теплоносителей. В технике наиболее часто процессы теплообмена протекают при изменении температуры теплоносителей либо по поверхности теплообмена, либо по поверхности и во времени одновременно. В первом случае процесс является стационарным, во втором - нестационарным. При этом большое влияние на процесс теплообмена оказывает относительное движение теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена различают следующие схемы относительного движения теплоносителей: 1) прямоток (или параллельный ток), при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении; 2) противоток, при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях; 3) перекрёстный ток, при котором теплоносители движутся по отношению друг к другу во взаимно перпендикулярном направлении; 4) смешанный ток, при котором один теплоноситель движется в одном направлении, а другой - попеременно как прямотоком, так и противотоком.
Основной сложностью применения солнечных энергокомплексов является непостоянство солнечного излучения и ограниченность сбора излучения светлым временем суток. Дополнительная сложность заключается в том, что концентрирующие солнечные системы способны собирать только прямое солнечное излучение, что сокращает период сбора и делает его возможным только в безоблачную погоду [4].
Для решения вышеперечисленных проблем следует использовать теплоаккумулирующие системы для сохранения части тепла, полученного от солнечных коллекторов в течение светлого времени суток [5].
Теплоаккумулирующая система имеет два основных преимущества:
- тепловая энергия может отдаваться потребителю в течение тех часов, когда прямое солнечное излучение недоступно, так что сбор солнечной энергии и питание тепловой энергией не будут одновременными;
- вход солнечного поля может быть изолирован от возможных возмущений на выходе, так как теплоаккумулирующая система ведёт себя как хорошая тепловая подушка и предотвращает обратную связь возмущений, влияющих на выходную температуру солнечного поля.
Значимость второго преимущества обуславливается тем, что оно улучшает работу системы в облачные дни.
В зависимости от среды, в которой сохраняется тепловая энергия, есть два типа систем: системы с единственным теплоносителем и системы с двумя теплоносителями.
Системы аккумуляции с одним теплоносителем используют ту же жидкость, которая циркулирует через коллекторы. Наиболее распространённым как для рабочей жидкости, так и для среды аккумуляции, является термальное масло. Коэффициент сохранения тепла этих систем составляет более 90 %. Масляные системы хранения могут быть сконфигурированы двумя различными способами [6]:
- система с одним масляным баком;
- система с двумя масляными баками.
Системы хранения с двумя теплоносителями - это системы, в которых тепло аккумулируется в другом теплоносителе, а не в рабочей жидкости, нагреваемой солнечными коллекторами. В качестве среды хранения могут быть использованы железные пластины, керамические материалы, расплавы солей или бетон. В этих системах в качестве теплоносителя между солнечным полем и материалом, в котором тепловая энергия сохраняется в виде физической теплоты, обычно используют масло. В случае хранения тепла в железных пластинах масло циркулирует через каналы между чугунными плитами, которые размещены внутри теплоизолированной ёмкости,
передавая в них (процесс заряда) или принимая от них (процесс разряда) тепловую энергию [5, 6].
В данном исследовании будет использован солевой расплав (эвтектическая смесь нитратов натрия и калия) в системе хранения тепла с двумя носителями.
Исходя из выбранного теплоносителя самая низкая температура должна быть выше точки плавления соли (выше 250 °С).
На рисунке 2 показана упрощённая схема электростанции с параболическими желобами и с системой хранения тепловой энергии на солевом расплаве. Утверждается, что этот тип системы теплового хранения является наиболее эффективным вариантом для солнечных электростанций.
Варьируя некоторыми входными параметрами, например, размерами теплоприемника, его расположением относительно фокальной линии концентратора, теплоёмкостью теплоносителя и его начальной температурой, скоростью движения теплоносителя в теплоприёмнике и т.д., можно получать наиболее высокие результаты в работе солнечного концентратора.
В общем виде для расчёта параметров концентратора первоначально необходимо вычислить количество солнечного излучения, принимаемое им. Данный показатель можно рассчитать по формуле:
Нконц _ ^конц 'Нобщ, (1)
где ^конц - площадь поверхности концентратора,
конц
принимаемой излучение, м
2-
Нобщ - интенсивность солнечного излучения на м2, кВт-ч/м2. Данный показатель можно считать количеством теплоты (0, которое принимает концентратор, для удобства дальнейших вычислений переведя его в Джоули (1 Втч = 3600 Дж).
Нужно учитывать, что полученное число будет являться абсолютным, и будет существенно отличаться от реальных показателей концентратора вследствие различных потерь, таких как загрязнение приёмника, неточность
Рис. 2 - Схема параболической солнечной тепловой электростанция
в отслеживании солнечной позиции, тепловые потери при передаче тепла от абсорбера в систему и т.д. [7].
Для получения реального числа необходимо обратить внимание на КПД концентратора, указанный в технической документации к нему. Если же концентратор изготовлен самостоятельно, то рассчитать его КПД можно, воспользовавшись различными методиками, приведёнными в научной литературе.
Далее необходимо вычислить, на какое количество градусов будет нагрета рабочая жидкость за единицу времени при данных показателях концентратора. Для этого вычисления нужно воспользоваться формулой:
0 = С • т • Т - 71), (2)
где С - удельная теплоёмкость рабочей жидкости, Дж/(кгК);
т - масса рабочей жидкости, кг;
(72 - Т{) - разность температур за единицу
времени, К.
Массу рабочей жидкости можно вычислить, зная объём теплоприемника (объём жидкости будет равен его внутреннему объёму), а также плотность вещества. Тогда:
т = рУ, (3)
где р - плотность вещества, кг/м3;
V - объём вещества.
Для удобства преобразуем (72 - Т1) в Тобщ, что будет обозначать температурный эффект от применения данного количества теплоты к
данной жидкости за единицу времени:
0
Т =
общ
С • т
(4)
Зная результаты данных вычислений, можно варьировать некоторыми параметрами, подбирая теплоноситель под конкретную задачу, а также регулируя скорость движения теплоносителя в теплоприёмнике.
Рис. 3 - Схема конструктивных особенностей солнечного энергокомплекса:
1 - параболические желоба-концентраторы;
2 - паровая турбина; 3 - генератор; 4 -градирня; 5 - линия электропередач; 6 -система аккумуляции тепла
Одним из важных решений в этом направлении является размещение системы аккумуляции тепла под землей, на глубине от 5 м, что позволит исключить воздействие отрицательных температур на систему в зимний период. Вторым не менее важным предложением является размещение энергоблока над системой аккумуляции, выше уровнем. Такая конструкция имеет несколько преимуществ. Во-первых, это экономит пространство, занимаемое энергокомплексом в целом. Во-вторых, часть энергии, вырабатываемой турбиной, преобразуется в тепловую энергию. Это означает, что температура в энергоблоке всегда на порядок выше, чем снаружи, особенно в зимний период, и его размещение над системой аккумуляции позволит избежать понижения температуры в нижнем помещении и, как следствие, сократит потери тепла из теплообменников и системы аккумуляции.
Схематическое изображение предложенной конструкции энергокомплекса представлено на рисунке 3.
Конструкцию предлагается выполнить из бетона для предотвращения повреждений за счёт негативных воздействий грунта. Снаружи стены следует дополнительно покрыть материалом, имеющим гидро- и теплоизоляционные свойства для ещё большей надёжности. Теплообменники и тепловые аккумуляторы также рекомендуется дополнительно защитить теплоизоляционными материалами.
Проверить эффективность предложенных методов можно, произведя расчёт теплопотерь через стены, пол и кровлю здания. Для этого производится расчёт по формуле:
д=—, (5)
Я
где д - теплопотери, Вт;
S - площадь конструкции, м2; 7 - разница температур между внутренним и наружным воздухом, °С; Я - значение теплового сопротивления конструкции, м2-°С/Вт.
Значение теплового сопротивления можно взять из таблицы тепловых сопротивлений или вычислить исходя из значения коэффициента теплопроводности по формуле:
d
Я = -
(6)
где k - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м2К);
d - толщина материала, м. Таким образом, можно сделать выводы, что адаптация солнечного энергокомплекса к определённым климатическим условиям приводит к эффективному его использованию на юге Тюменской области.
Литература
1. Пейль А.К., Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Повышение эффективности параболического концентратора солнечной энергии // StudNet. 2020. Т. 3. № 11. С. 111.
2. Андреев Л.Н., Юркин В.В., Басуматорова Е.А. Эффективность применения систем частичной рециркуляции воздуха в свиноводческих помещениях // Известия Оренбургского государственного аграрного университета 2020. № 5 (85). С. 140 - 144.
3. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Мониторинг состояния воздушной среды вблизи крупных животноводческих комплексов Тюменской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 179 - 181.
4. Ашихмин А.А., Андреев Л.Н., Суринский Д.О. Влияние электроотпугивателя птиц на энергетическую эффективность производства продукции растениеводства
Тюменской области // Современные научно-практические решения в АПК: сб. ст. II всерос. (национ.) науч.-практич. конф. / Государственный аграрный университет Северного Зауралья. Тюмень, 2018. С. 290 -294.
5. Андреев Л.Н., Басуматорова Е.А. Особенности конструкций электрофильтра-озонатора в АПК // Молодёжь и инновации: матер. XV Всерос. науч.-практич. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. Тюмень, 2019. С. 279 - 283.
6. Андреев Л.Н., Юркин В.В. Разработка системы удаления вредностей из воздушной среды животноводческих помещений // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 4 (33). С. 223 - 231.
7. Захидов Р.А., Вайнер А.А. Параболоид гипербо-лоидные концентрирующие системы и их точность // Гелиотехника. 1977. № 1. С. 42 - 49.
Александр Константинович Пейль, аспирант. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, pejl.ak@asp.gausz.ru
Леонид Николаевич Андреев, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, andreevln@gausz.ru
Alexander K. Peil, postgraduate. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, pejl.ak@asp.gausz.ru
Leonid N. Andreev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, andreevln@gausz.ru
-Ф-
Научная статья УДК 631.31
ао1: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-177-181
Система аккумулирования и использования природного холода годовой потребности и результаты исследования её функционирования
Андрей Петрович Козловцев1, Владимир Александрович Шахов1,
Максим Борисович Фомин1, Василий Иванович Квашенников1,
Мария Игоревна Попова1, Денис Викторович Портнов1,
Зоя Вячеславовна Макаровская2
1 Оренбургский государственный аграрный университет
2 Московский государственный университет пищевых производств
Аннотация. В статье представлены научно-методологические основы снижения энергетических затрат при охлаждении молочной продукции в процессе её производства на молочно-товарных фермах за счёт применения природного холода. Увеличению интереса к использованию природного холода способствует прежде всего обострение энергетических проблем, связанных с ростом мирового промышленного производства. Такая тенденция приводит к постоянному увеличению стоимости энергоносителей, и в сельском хозяйстве довольно серьёзно отражается на себестоимости получаемой продукции. Применение естественного холода в процессе охлаждения молочной продукции является очень распространённым направлением не только в научно-исследовательских работах и новых идеях изобретателей, но и при конструировании холодильных машин. Вариантами применения природного холода являются водооборотные льдоаккумуляторы для молочно-товарных ферм. Предлагаемый льдоаккумулятор простой по конструкции, надёжен в работе, не требует сложного технического обслуживания, долговечен и не использует электроэнергию для наморозки льда и дальнейшего охлаждения молока. Использование такого устройства позволит снизить себестоимость производства при переработке молока на молочно-товарных фермах и сократить затраты на обслуживание.
Ключевые слова: охлаждение, пищевые продукты, природный холод, аккумуляторы холода, энергосбережение.
Для цитирования: Система аккумулирования и использования природного холода годовой потребности и результаты исследования её функционирования / А.П. Козловцев, В.А. Шахов, М.Б. Фомин [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 177 - 181. doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-177-181.
