CC BY
2
Научная статья УДК 621.548: 621.311.24
Код ВАК 4.3.2
doi: 10.24412/2078-1318-2023-3-66-72
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ ДВУХРОТОРНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ОБЪЕКТАХ АПК
Виталий Алексеевич Алексеенко
Ставропольский государственный аграрный университет, переулок Зоотехнический, д. 12, г. Ставрополь, Ставропольский край, 355017, Россия, v.a.alexeenko81@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-3638-2234
Реферат. Энергоснабжение малых сельскохозяйственных предприятий (СХП), удаленных на значительные расстояния от энергосетей, должно обеспечиваться с учетом высокого уровня механизации и электрификации производства, а также повышения производительности труда и снижения себестоимости продукции. Одним из путей энергообеспечения СХП является применение ветроэлектрических установок малой мощности в районах РФ со среднегодовой скоростью ветра не менее 4,5 м/с. Эксплуатация ветроэлектрических станций (ВЭС) связана с использованием большого количества аккумуляторных батарей (АКБ), обеспечивающих накопление электрической энергии и ее дальнейшее использование. Анализ энергообеспечения технологических процессов показал, что значительные финансовые затраты требуются на замену аккумуляторных батарей по истечению срока эксплуатации емкостью 2,9 тыс. Ач для мини-фермы на 10 голов. Для сокращения энергозатрат предлагается применение вертикально-осевой двухроторной ветроэнергетической установки (ВОДРВЭУ) с возможностью подключения различных устройств напрямую, без преобразования механической энергии в электрическую. При этом необходимая емкость АКБ в сравнении с ВЭС сократится в 8 раз. При таком подходе эффективность применения ВОДРВЭУ целесообразно рассматривать в сравнении с альтернативными вариантами энергоснабжения децентрализованных СХП с учетом применения традиционных и возобновляемых источников энергии, то есть, ВЭС и дизельной электростанции (ДЭС). При условии эксплуатации установок на территориях со среднегодовой скоростью ветра 4,5 м/с и с учетом повышенных инфляционных рисков и последующей стабилизации экономики СХП на изменения себестоимости 1 кВт ч эксплуатации на основании прогностического расчета за 10 лет, установлено преимущество совместного применения возобновляемых и традиционных ресурсов для энергоообеспечения СХП на примере мини-фермы на 10 коров.
Ключевые слова: энергоснабжение, мини-ферма, ветроустановка, применение, эффективность
Цитирование. Алексеенко В.А. Эффективность применения вертикально-осевой двухроторной ветроэнергетической установки на объектах АПК // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2023. - № 3 (72). - С. 66-72, doi: 10.24412/2078-1318-2023-3-66-72
APPLICATION EFFICIENCY OF A VERTICAL-AXIS TWO-ROTOR WIND POWER
PLANT AT AGRICULTURAL FACILITIES
Vitaly A. Alekseenko
Stavropol State Agrarian University, Zootechnical Lane, d 12, Stavropol, Stavropol Region, 355017, Russia, v.a.alexeenko81@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-3638-2234
Abstract. The energy supply of small agricultural enterprises (SAEs), remote at considerable distances from the power grid, should be provided taking into account the high level of mechanization and electrification
of production, as well as increasing labor productivity and reducing the production costs. One of the ways of energy supply of agricultural enterprises is the use of low-power wind power plants in the regions of the Russian Federation with an average annual wind speed of at least 4.5 m/s. The operation of wind power plants (WPPs) involves the use of a large number of storage batteries (Batteries) to store electrical energy and its further utilisation. The analysis of energy supply of technological processes has shown that considerable financial expenses are required for replacement of storage batteries at the end of their service life with capacity of 2.9 thousand Ah for a mini-farm for 10 heads. To reduce energy costs, it is proposed to use a vertical-axial two-rotor wind power plant (VATRWPP) with the ability to connect various devices directly, without converting mechanical energy into electrical energy. At the same time, the required battery capacity in comparison with the wind farm will be reduced by 8 times. With this approach, it is advisable to consider the effectiveness of the use of water power plants in comparison with alternative energy supply options for decentralized agricultural enterprises, taking into account the use of traditional and renewable energy sources, that is, wind farms and diesel power plants (DPP). Under the condition of plant operation in the territories with average annual wind speed of 4.5 m/s and taking into account the increased inflation risks and subsequent stabilisation of the farm economy on changes in the cost price of 1 kWh of operation on the basis of predictive calculation for 10 years, the advantage of joint application of renewable and traditional resources for energy supply of farms, on the example of a mini-farm for 10 cows, has been established.
Keywords: energy supply, mini-farm, wind turbine, application efficiency
Citation. Alekseenko V.A. (2023) 'Application efficiency of a vertical-axis two-rotor wind power plant at agricultural facilities', Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 72, no. 3 pp. 66-72 (In Russ.), doi: 10.24412/2078-1318-2023-3-66-72
Введение. Проблему энергоснабжения мини-ферм, удаленных на значительные расстояния от энергосетей, необходимо в первую очередь рассматривать с позиции повышения эффективности энергозатрат и снижения себестоимости продукции [1; 2; 3; 4].
В настоящее время энергообеспечение удаленных энергопотребителей, в том числе и мини-ферм на 10 коров [5], в организационном и технологическом аспекте возможно за счет использования ветроэлектрических станций (ВЭС) малой мощности в районах РФ с среднегодовой скоростью ветра не менее 4,5 м/с [6; 7]. Все ВЭС работают в агрегате с аккумуляторными батареями (АКБ), снабженными контроллерами и инверторами, обеспечивающими накопление электрической энергии в АКБ и дальнейшее ее использование (см. рисунок 1).
Проведенный анализ диаграммы показал, что для обеспечения необходимого уровня механизации и электрификации технологических процессов мини-фермы на 10 голов потребуется ёмкость АКБ 2,9 тыс. Ач, с учетом 50% их допустимого разряда. При этом в качестве базового источника, обеспечивающего зарядку АКБ в периоды безветрия, и основного источника для процесса доения коров используется дизельная электростанция (ДЭС).
Цель исследования - обоснование эффективности применения вертикально-осевой двухроторной ветроэнергетической установки с кольцевым концентратором воздушного потока в качестве автономного источника энергоснабжения удаленного сельскохозяйственного производства с учетом разделения механической энергии вращающегося вала на два потока для выработки электроэнергии и привода рабочих механизмов.
Материалы, методы и объекты исследования. Для решения поставленной задачи на мини-фермах нами предлагается вместо ВЭС применить вертикально-осевую двухроторную ветроэнергетическую установку (ВОДРВЭУ) [1].
1 - освещение; 2 - моечная установка корнеклубнеплодов; 3 - вентиляция помещения; 4 - установка для сепарирования «Сатурн-2»; 5 - маслобойка МЭ - 6; 6 - установка для фасовки молока «Фема - пак - 300»; 7 -измельчитель корнеклубнеплодов «Фермер КР-01» (380); 8 - установка для водоснабжения (Калибр НВТ-210/10); 9 - дробилка зерна «ИЗ-14(Фермер 300)»; 10 - нагреватель воды OSO Super S 120
Рисунок 1. Потребление электроэнергии АКБ на мини-ферме 10 коров, А-ч: а) - с зарядкой от ВЭС; б) - с учетом частичной замены электрической на механическую энергии ВОДРВЭУ Picture 1. Battery power consumption on a mini-farm of 10 cows, A- h: a) - with charging from the wind farm; b) - taking into account the partial replacement of electrical with mechanical energy of the water supply
Вертикальный вал ВОДРВЭУ предусматривает возможность подключения различных устройств напрямую, без преобразования механической энергии в электрическую, и поэтому часть технологических операций не требует использования электрической энергии. Предлагается технологические процессы (см. рисунок 1) водоснабжение (8), приготовление концентрированных кормов (9), водонагрев (10) обеспечить за счет следующих устройств, согласующихся с эксплуатационными и энергетическим и характеристиками установки: насос поршневой садовый бытовой НБР-1 (8), валковая плющилка «Геркулес» (9), саморегулирующийся гидродинамический нагреватель (10).
Таблица 1. Характеристика технологического оборудования для энергообеспечения
мини-фермы на 10 коров Table 1. Characteristics of technological equipment for energy supply of a mini-farm of 10 cows
№ п/п Наименование показателей I вариант использования II вариант использования III вариант использования
ВЭУ (ОСА 3000-24) ВО ДРВЭУ ДЭС (YDG6600TN-5EB)
1 Потребляемая мощность электрогенератора, кВт 3 1,0 -
2 Механическая мощность на валу, кВт - 3 -
3 Мощность дизельной электростанции, кВт 5 5 5
4 Стоимость ветроагрегата (без учета стоимости электрогенератора) [9], руб. 154695 123240 —
5 Стоимость дополнительного контроллера[9], ВЭС «ОСА 3000» , РВЭУ «ОСА 1000», руб. 23 805 18 515 -
6 Стоимость электрогенератора [9], руб. 155 000 68 000 -
7 Стоимость конструкции опоры (8 м) [9], руб. 48 000 - -
8 Стоимость устройства инвертора [9], ВЭС - 6 000 Вт; РВЭУ - 3 000 Вт, руб. 66 900 44 800 -
9 Стоимость транспортных и монтажных (10% от стоимости ветроагрегата), руб. 15470 12324 -
10 Стоимость ТО и ремонта ВЭУ (0,005% от стоимости ветроагрегата), руб.; ВОДРВЭУ (0,02% от общей стоимости ветроагрегата), руб. 775 2463 -
11 Стоимость ДЭС мощностью 5 кВт [10], руб. 240 275 240 275 240 275
12 Стоимость Тои ремонта ДЭС (0,15% от стоимости электростанции), руб. 36 041 36 041 36 041
13 Ресурс электрогенератора ДЭС [10], ч 100 000 100 000 100 000
14 Удельный расход топлива [10], л/кВтч 0,58 0,58 0,58
15 Тип и марка АКБ Delta GX-12-200 Delta GX-12-200 -
16 Суммарная емкость, Ач 2900 350 -
17 Емкость одного АКБ, Ач 200 200 -
18 Требуемое количество АКБ, шт. 15 2 -
19 Стоимость одной АКБ, [9] руб. 16 900 16 900 -
20 Суммарная стоимость АКБ, руб. 253 500 33 800 -
Годовая выработка энергии со среднегодовой скоростью ветра 4,5 м/с, исходя из повторяемости скоростей ветра по М.М. Поморцеву, для ВОДРВЭУ и ВЭС «ОСА 3000-24» с коэффициентом использования энергии ветра 0,21 и 0,34 составляет 1703,0 и 3746,6 кВт соответственно.
В процентном соотношении годовая выработка энергии по вариантам энергоснабжения выглядит следующим образом:
- I вариант (55% ВЭС +45% ДЭС);
- II вариант (25% ВОДРВЭУ +75% ДЭС);
- III вариант (100% ДЭС).
Во втором варианте целесообразно выработанную энергию ВОДРВЭУ увеличить в 3 раза - добавить 2 установки (таблица 2).
Таблица 2. Выработанная энергия по вариантам энергоснабжения Table 2. Generated energy by energy supply options
Вариант использования Соотношение источников, % Соотношение источников с учетом годового потребления 6812,0 кВтч
I 55% ВЭС + 45% ДЭС 3746,6 + 3065,4
II 70% ВОДРВЭУ + 30% ДЭС 4768,4 + 2043,6
III 100% ДЭС 6812,0
В таблице 3 представлены экономические расчеты среднего значения себестоимости 1 кВтч трех сравниваемых вариантах энергоснабжения в ценах 2021 г. с учетом 10 лет эксплуатации.
Таблица 3. Технико-экономические показатели вариантов энергоснабжения Table 3. Technical and economic indicators of energy supply options
№ п/п Наименование показателей I II III
1 Приобретение и ТО ДЭС, руб. 276316 276316 552632
2 Приобретение и ТО ветроагрегата с учетом дополнительного оборудования, руб. 464 645 545395 —
3 Приобретение и ТО АКБ, руб. 254 768 33 969 -
Итого на оборудование и ТО за10 лет эксплуатации руб. 995 729 855 680 552632
5 Годовая выработка ДЭС, кВтч 3065,4 2043,6 6812,0
6 Потребность в топливе ДЭС за 1 год, л 1777,932 1185,288 3950,96
7 Годовые затраты на приобретение дизельного топлива (1л - 44 руб.) руб. 80 007 53 338 177 793
8 Затраты на топливо за 10 лет эксплуатации руб. 800069,4 533379,6 1777932
Итого руб.: 1 795 798 1 389 060 2 330 564
В расчете на 10 лет эксплуатации 6812,0 кВтч 26,36 20,39 34,21
Результаты исследования. Прогностический рост себестоимости 1 кВтч, для всех 3 вариантов использования для мини-фермы на 10 коров с учетом 5% роста цен на дизельное топливо с 2022 по 2031 г. приведен в таблице 4.
Таблица 4. Прогностический рост среднего значения себестоимости 1 кВт-ч с 2022 по 2031 г., руб./кВт-ч по вариантам энергоснабжения Table 4. Prognostic growth of the average cost of 1 kWh from 2022 to 2031, rubles/kWh
by power supply options
Вариант Год
2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031
I 26,95 27,57 28,21 28,89 29,61 30,36 31,14 31,97 32,84 33,75
II 20,78 21,19 21,63 22,08 22,55 23,05 23,58 24,13 24,71 25,32
III 35,52 36,89 38,33 39,84 41,42 43,09 44,84 46,67 48,60 50,63
Анализ данных таблицы 4 показывает, что влияние роста себестоимости 1 кВтч до 2031 г. на систему энергоснабжения мини-фермы на 10 коров с ВОДРВЭУ меньше по сравнению с другими вариантами. Так, за 10 лет эксплуатации себестоимость ветроустановки с ВЭС повысится в 1,25 раза, с ВОДРВЭУ - в 1,22 раза и с ДЭС - в 1,42 раза.
Выводы. На мини-ферме на 10 коров, удаленной от систем электроснабжения, целесообразно применение ветроэлектрических установок (ВЭС), вертикально-осевых роторных ветроэнергетических установок (ВОДРВЭУ) совместно с дизельными электростанциями (ДЭС).
Проведенные расчеты эффективности энергоснабжения мини-ферм на 10 коров подтверждают возможность применения ВОДРВЭУ с использованием механической энергии одновременно или раздельно для выработки электроэнергии и привода технологического оборудования напрямую, что позволяет сократить расходы в сумме на 303 048 руб.
Представленная методика расчета эффективности использования ветроэнергетических установок может быть применена к мини-фермам с поголовьем 15 и 30 голов, а также к предприятиям различной сельскохозяйственной направленности.
Список источников литературы
1. Атанов, И.В. Снижение расхода электроэнергии в технологических процессах обработки и переработки молока / И. В. Атанов, В. И. Капустин, А. В. Ефанов // Вестник АПК Ставрополья. - 2014. - № 1. - С. 53-56.
2. Стребков, Д.С. Повышение надежности электроснабжения объектов животноводства / Д. С. Стребков, А. В. Тихомиров // Вестник ВНИИМЖ. - 2014. - № 3. - С. 44-47.
3. Kapustin, I.V. The Milking Unit Adapted to the Physiological Require -ments for Machine Milking of Cows / I. V. Kapustin, E. I. Kapustina, D. I. Gritsay, V. A. Alekseenko, I. I. Shvetsov // The Challenge of Sustainability in Agricultural Systems. 2020. Vol. 2. Рp. 959-970.
4. Шерьязов, С.К. Выбор рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей (на примере Челябинской области) / С.К. Шерьязов. - Челябинск, 2010. - 40 с.
5. Плужникова, А.А. Потребность в электроэнергии на удаленных молочных мини-фермах / А.А. Плужникова, Р.Ю. Мерзликин, В.А. Алексеенко, В.А. Халюткин // Сельский механизатор. - 2018. - № 4. - С. 16-17.
6. Solomin, E. Renewable energy potential of Russian federation / Solomin E., Ibragim A., Yunusov P.// Lecture Notes in Electrical Engineering. 2020. Т. 641 LNEE. pp. 469-476.
7. Pope, K., Dincer, I., Naterer, G. F. Energy and exergy efficiency comparison of horizontal and vertical axis wind turbines / Pope, K., Dincer, I., Naterer, G. F. // Renewable Energy, 2010, No 35(9), pp. 2102-2113.
8. Alekseenko, V.A. Determination of energy characteristics of two-rotor wind power installation / Alekseenko V.A., Gevora Y.I., Sidelnikov D. A., Pluzhnikova A.A. // 19th International Scientific Conference: Engineering for rural development Proceedings, 2020. V. 19. Pp. 860-866.
9. Интернет-портал компании «ООО «САЛЬМАБАШ» [Электронный ресурс]. - URL: http://mahaon-energy.ru/ (дата обращения 19.06.2020).
10. Каталог дизельных генераторов мощностью 5 кВт YANMAR [Электронный ресурс]. -URL: https://www.yanmarrus.ru/catalog/dizelnyj-generator-trehfaznyj-5kvt/ (дата обращения 10.08.2020).
References
1. Atanov, I.V. et al. (2014) 'Reduction of energy consumption in technological processes of milk processing and processing', Vestn. APKStavropolja, No 1, pp. 53-56.
2. Strebkov, D.S. and Tihomirov A.V. (2014) 'Improving the reliability of electricity supply to livestock facilities', Vestnik VNIIMZh, No. 3, pp. 44-47.
3. Kapustin, I.V. et al. (2020) 'The Milking Unit Adapted to the Physiological Requirements for Machine Milking of Cows', The Challenge of Sustainability in Agricultural Systems, , Vol. 2, pp. 959-970.
4. Sher'jazov, S.K., (2010) Choosing a rational combination of traditional and renewable energy resources in the energy supply system of agricultural consumers (on the example of the Chelyabinsk region), Cheljabinsk, 2010. 40 p.
5. Pluzhnikova, A.A. et al. (2018) 'Electricity demand in remote mini-dairy farms', Sel'skij mehanizator, No. 4, pp. 16-17.
6. Solomin, E., Ibragim, A., Yunusov, P. (2020) 'Renewable energy potential of Russian federation', Lecture Notes in Electrical Engineering. Vol. 641 LNEE, pp. 469-476.
7. Pope, K., Dincer, I., Naterer, G.F. (2010) 'Energy and exergy efficiency comparison of horizontal and vertical axis wind turbines', Renewable Energy, 35(9), pp. 2102-2113.
8. Alekseenko, V.A. et al. (2020) 'Determination of energy characteristics of two-rotor wind power installation', 19th International Scientific Conference: Engineering for rural development Proceedings. Vol. 19, pp. 860-866.
9. The Internet portal of the company LLC "SALMABASH". Available at: http://mahaon.energy.ru/ (accessed: 19.06.2020).
10. Catalog of 5 kW YANMAR diesel generators. Avaliable at: https://www.yanmarrus.ru/catalog/dizelnyj. generator.trehfaznyj.5kvt/ (accessed: 10.08.2020).
Сведения об авторе
Алексеенко Виталий Алексеевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Машины и технологии АПК», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ставропольский государственный аграрный университет», SPIN-код: 5953-8407, Scopus author ID: 57218250387, Researcher ID: GYR-0881-2022.
Information about the author
Vitaly A. Alekseenko - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Machines and Technologies of Agroindustrial Complex, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Stavropol State Agrarian University", SPIN-code: 5953-8407, Scopus author ID: 57218250387, Researcher ID: GYR-0881-2022.
Авторский вклад. Автор настоящего исследования принимал непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Автор настоящей статьи ознакомился и одобрил представленный окончательный вариант.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. The author of this study was directly involved in the planning, execution and analysis of this study. The author of this article has read and approved the submitted final version. Conflict of interest. The author declares no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 08.06.2023; одобрена после рецензирования 22.08.2023; принята к публикации 22.08.2023.
The article was submitted 08.06.2023; approved after reviewing 22.08.2023; accepted after publication 22.08.2023.
