CC BY
3УДК 620-92
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕЛИОСИСТЕМЫ НА БАЗЕ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕТОРА В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ СЕКТОРЕ ОРЕНБУРГСКОГО РЕГИОНА
Кабашева Вероника Галимуллаевна, магистрант, направление подготовки 08.04.01 Строительство, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: vkabasheva@list.ru
Научный руководитель: Закируллин Рустам Сабирович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: rustam.zakirullin@gmail.com
Аннотация. Статья посвящена проблеме теплоснабжения потребителей, расположенных в отдаленных, рассредоточенных с точки зрения теплоснабжения сельскохозяйсвенных объектов. Актуальность исследования обуславливается отсутствием централизованного теплоснабжения в большинстве сельских поселений России, а подключение к таким сетям затруднительно из-за больших тарифов и капитальных затрат на прокладку дорогостоящих теплосетей. Учитывая, что в сельской местности газифицировано чуть более 60% хозяйств, наиболее целесообразно выглядит обеспечение тепловой энергией с помощью автономных котельных или использование возобновляемых источников энергии. Таким образом, целью исследования является оценка эффективности применения систем с солнечными коллекторами в сравнении с традиционной системой теплоснабжения. В статье рассмотрен потенциал солнечной энергии для использования в сельскохозяйственных объектах Оренбургской области, рассмотрены климатические характеристики региона. На основе проведенного литературного анализа выявлены наиболее эффективные виды солнечных коллекторов. По результатам исследования определено, что в условиях резко-континентального климата для покрытия тепловых нужд сельскохозяйственных объектов недостаточно тепловой энергии, вырабатываемой гелиосистемой, вследствие чего необходим дополнительный источник тепла.
Ключевые слова: солнечный коллектор, сельское хозяйство, теплица, теплоснабжение, энергетика, энергосбережение.
Для цитирования: Кабашева В. Г. Анализ возможности использования гелиосистемы на базе солнечного коллектора в агропромышленном секторе Оренбургского региона // Шаг в науку. - 2020. - № 2. -С. 43-46.
ANALYSIS OF THE POSSIBILITY OF USING A SOLAR SYSTEM BASED ON A SOLAR COLLECTOR IN THE AGRO-INDUSTRIAL SECTOR OF THE ORENBURG REGION
Kabasheva Veronika Galimullaevna, graduate student, training program 08.04.01 Construction, Orenburg State University, Orenburg e-mail: vkabasheva@list.ru
Research advisor: Zakirullin Rustam Sabirovich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor, Department of Heat and Gas Supply, Ventilation and Hydromechanics, Orenburg State University, Orenburg e-mail: rustam.zakirullin@gmail.com
Abstract. The article is devoted to the problem of heat supply to consumers located in remote, distributed from the point of view of heat supply of agricultural facilities. The relevance of the study is due to the lack of centralized heat supply in most rural settlements of Russia, and connection to such networks is difficult due to high tariffs and capital costs for laying expensive heating systems. Considering that a little more than 60% of households are gasified in rural areas, it is most appropriate to provide thermal energy with the help of autonomous boiler houses or use renewable energy sources. Thus, the aim of the study is to evaluate the effectiveness of the use of systems with solar collectors in comparison with the traditional heat supply system. The article considers the potential of solar energy for use in agricultural facilities of the Orenburg region, considers the climatic characteristics of the region. Based on the literature analysis, the most effective types of solar collectors were identified. According to the results of the study, it was determined that in a sharply continental climate, the thermal energy generated by the solar system is not enough to cover the thermal needs of agricultural facilities, and therefore an additional heat source is needed.
Key words: solar collector, agriculture, greenhouse, heat supply, energy, energy saving. Cite as: Kabasheva, V. G. (2020) [Analysis of the possibility of using a solar system based on a solar collector in the agro-industrial sector of the Orenburg region]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 2, pp. 43-46.
На сегодняшний день ни одно предприятие по выпуску сельскохозяйственной продукции не обходится без механизации производственных процессов. Эксплуатация автоматизированных и механизированных технологий требует больших энергозатрат. Значительную часть энергетических затрат в сельском хозяйстве составляет также расход на отопление и горячее водоснабжение производственных и бытовых помещений. Недостаток тепловой энергии для таких предприятий, в большинстве случаев, обуславливается удаленностью сельскохозяйственных объектов от источника теплоснабжения. Подключение к централизованным тепловым системам затруднительно из-за больших тарифов и капитальных затрат на прокладку дорогостоящих теплосетей и сооружение линий электропередачи [4].
Альтернативой для многих сельскохозяйственных районов Оренбургского региона может быть использование солнечной энергии. Оренбургская область обладает огромным потенциалом солнечной энергии и согласно анализу, приведенному в статье [1] является вторым из лидирующих регионов России в области производства солнечной энергетики, уступая по выработке только Республике Крым. В настоящее время в регионе успешно реализуется программа энергосбережения и повышения энергетической эффективности: введены в эксплуатацию 12 солнечных электростанций общая
мощность которых составляет 260 МВт.
Таким образом, актуальность рассматриваемых выше проблем обусловлена необходимостью решения следующих важных народнохозяйственных задач:
- массовое производство дешёвой и эффективной конструкции солнечных коллекторов;
- широкомасштабное создание солнечных водо-нагревательных установок;
- создание эффективных комбинированных систем теплоснабжения.
Системы, использующие солнечную энергию весьма разнообразны по конструктивным особенностям и виду вырабатываемой энергии. Наиболее целесообразным направлением использования солнечной энергии в сельском хозяйстве является получение тепловой энергии, так как не возникает необходимости в сложных и дорогих преобразующих устройствах.
Устройством, преобразующим энергию солнечного излучения в тепловую, является солнечный коллектор. Солнечный коллектор представляет собой герметичный корпус, открытый с одной стороны для солнечного излучения, внутри которого располагается абсорбер солнечной энергии со встроенным в него трубопроводом для теплоносителя. Простейшим типом солнечного коллектора является плоский (рисунок 1).
Рисунок 1. Устройство плоского солнечного коллектора:
1- вход теплоносителя; 2 - стекло с селективным покрытием; 3 - медные трубы; 4 - корпус; 5 - теплоизоляция; 6 - абсорбер; 7 - выход нагретого теплоносителя
В статье [2] рассмотрены виды солнечных коллекторов, их достоинства и недостатки. Авторы отмечают, что наиболее эффективным видом солнечного коллектора является вакуумный солнечный коллектор. Поскольку вакуум является идеальным теплоизолятором, вакуумные коллекторы практически независимы от окружающей среды
и значительно более чувствительны к минимальному солнечному излучению. Однако, такой вид коллекторов значительно уступает плоским солнечным коллекторам в стоимости и простоте конструкции.
Эффективность работы солнечного коллектора зависит от множества факторов: от конструктивных
особенностей самого коллектора до географического месторасположения места его установки и климатических характеристик. Максимальные показатели КПД достигаются при минимальной разности температур между солнечным коллектором и воздухом, однако такие идеальные условия в практике не наблюдаются. Для климата Оренбурга характерно быстрое и резкое изменение климатических показателей с холодных на жаркие и наоборот. Перепад температур при сезонной сменяемости может достигать 80 °С. В зимний период в секторах сельскохозяйственного производства, занимающихся круглогодичной поставкой растениеводческой продукции, возникает необходимость в сооружении специальных парников и теплиц для выращивания продуктов в утеплённом грунте.
В статье [3] авторами рассматривается классификация схем теплиц с солнечными коллекторами. В ходе исследования была выбрана оптимальная схема теплоснабжения теплицы с использованием солнечного коллектора для климата Оренбурга. Авторы отмечают, что в условиях резко континентального климата возникает проблема дисбаланса тепловой энергии, потребляемой тепличными комплексами. Результаты технико-экономического расчёта показали, что для полноценной работы тепличного хозяйства в зимний период недостаточно энергии, вырабатываемой только гелиосистемой в силу снижения активности солнечного излучения. На графике (рисунок 2) можно наглядно наблюдать резкое снижение поступления солнечной инсоляции в период с ноября по февраль.
Рисунок 2. Среднемесячное значение солнечной инсоляции в Оренбурге на период сентябрь 2018-сен-тябрь 2019 [5]
Стоит отметить, что снижение эффективности падающего солнечного излучения в зимний период обуславливает необходимость в дублирующем источнике тепла.
Целью дальнейшего исследования является разработка комбинированной схемы гелиосистемы на базе использования солнечного коллектора совместно с традиционным источником тепла. Предполагается, что такая схема позволит использовать солнечные коллекторы в полной мере не только в летний период, а в течение всего года. Недостатки тепла, выделяемого солнечными коллекторами в зимний период, будут компенси-
роваться теплотой, производимой котлом за счет сжигания традиционного топлива. В летний период тепловая энергия, выделяемая солнечными коллекторами, может целиком покрыть тепловые нужды систем ГВС жилых зданий, размещаемых в непосредственной близости с объектами сельского хозяйства. Для определения эффективности такой схемы в условиях климата Оренбурга, в рамках данного исследования, необходимо составить математическую модель системы с традиционным источником тепла и с использованием солнечных коллекторов, сравнить их экономические и энергетические показатели.
Литература
1. Дегтярёв К. С., Панченко В. А. Развитие и реализованные проекты солнечной энергетики в России // Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2019. - № 9. - С. 74-79
2. Матвеев С. Ф., Машукова А. И. Типы солнечных коллекторов // Sience time. - 2015. - № 12 (24). -С. 481-484.
3. Рахимжанова И. А., Фомин М. Б., Дубовсков Е. А. Функционирование теплиц в условиях оренбургской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2016. - № 1 (57). - С. 49-50.
4. Vasant, P. & Voropai, N. Sustaining рower resources through energy optimization and engineering. IGI global, USA, 494 p.
5. The NASA surface meteorology and solar energy data set. Available at: https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/
Статья поступила в редакцию: 20.04.2020; принята в печать: 13.08.2020.
