CC BY
5Статья поступила в редакцию 19.03.14. Ред. рег. № 1948
The article has entered in publishing office 19.03.14. Ed. reg. No. 1948
УДК 626.88
ПРЕИМУЩЕСТВА АЭРАЦИИ ЗАМОРНЫХ ВОДОЕМОВ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
А.С. Аникин, С.В. Козлов, Е.А. Сироткин, Е.Е. Соломин
Южно-Уральский государственный университет 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел.: 89514596137, факс: (351) 264-7694, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 24.03.14 Заключение совета экспертов: 30.03.14 Принято к публикации: 05.04.14
В статье описываются технические и экономические преимущества аэрации заморных водоемов на основе энергопитания аэраторов от возобновляемых источников энергии, приведены показатели волнового потокообразования для аэрации заморных водоемов России. В условиях изменяющегося климата проект может быть масштабирован и распространен на территории СНГ, в странах Европы, США, Канаде.
Ключевые слова: аэрация, ветроэнергетика, агропромышленный комплекс (АПК).
THE ADVANTAGES OF AERATION OF THE ICE-COVERED WATER POOLS USING THE RENEWABLE ENERGY SOURCES
A.S. Anikin, S.V. Kozlov, E.A. Sirotkin, E.E. Solomin
South Ural State University 76 Lenin str., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: 89514596137, fax: (351) 264-7694, e-mail: [email protected]
Referred: 24.03.14 Expertise: 30.03.14 Accepted: 05.04.14
The article describes the technical and economic advantages of aeration of the underfeed ice-covered water pools on the base of power consumption of aerators from renewable energy sources, shown the indicators of wave flow formation for aeration of the ice-covered pools of Russia. In the conditions of changing climate the project can be scaled and distributed on the territory of CIS, European countries, USA, Canada.
Keywords: aeration, wind power, agro-industrial complex.
Еще несколько десятилетий назад существовало устойчивое мнение, что ресурсы мирового океана неисчерпаемы, а добыча рыбы и морепродуктов подлежит постоянному росту за счет более полного освоения промысловым флотом морских и океанических акваторий. Однако реальная ситуация не подтверждает эти оптимистичные прогнозы. Уже к началу семидесятых годов прошлого столетия наметилось снижение роста продуктивности мирового рыболовства, и за последние сорок лет объемы рыбного промысла существенно не изменились. В связи с этим на сегодняшний день актуальным является развитие рыбоводства.
Производство рыбной продукции по сравнению с другими продуктами, содержащими животные
белки, характеризуется высокой эффективностью. Затраты на производство 1 тонны рыбной продукции почти в 5 раз ниже, чем тонны говядины, в 3 раза - свинины, в 8 раз - сливочного масла. Капитальные вложения на производство 1 тонны мяса почти в 4 раза больше, чем на производство 1 тонны рыбной продукции [1].
Россия, как никакая другая страна в мире, располагает огромным потенциалом для развития рыбоводства. По данным различных источников, Российская Федерация располагает от 12 до 16 млн га водных площадей внутренних водоемов, пригодных для выращивания рыбы. Потенциальные возможности аквакультурных хозяйств России оцениваются по меньшей мере в 2-3 млн тонн без учета микро-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
водоемов с площадями менее 1 га, не учитываемых официальной статистикой. К примеру, в Китае, где выращивают около 80% всей рыбы в мире, 60% прудовой рыбы выращивается в прудах площадью от 0,01 до 1,0 га, то есть как раз в таких микроводоемах [1].
Главной хозяйственной задачей, решаемой озерным рыбоводством, во многих регионах России является производство ценной пищевой рыбы на основе нагульного (пастбищного) выращивания за счет использования естественной кормовой базы. В центральной полосе России промышленное разведение ценных пород рыб должно производиться в устойчивых к заморам водоемах с высоким содержанием кормов. Тем не менее, за счет промерзания озер гибнет до 90% рыбы, что приводит к крупным экономическим потерям. С изменением климата и наступлением даже временных похолоданий на территории Европы, США, Канады и других стран такая ситуация не может не привлечь внимания ученых. В связи с этим учеными и аспирантами Южно-Уральского государственного университета в г. Челябинске проведен ряд исследований, направленных на техническое и экономическое усовершенствование аэрации водоемов, перемерзающих в холодное время года, или так называемых заморных водоемов.
В Челябинской области в течение длительного времени поддерживаются традиции озерного рыбоводства, которые берут начало от местных каслинских и кыштымских рыбопромышленников. Весной они перевозили десятки тонн живого мелкого окуня, ерша, плотвы из глубоких озер восточного склона Урала, в равнинные мелкие, но высококормовые озера зауральской лесостепи. За лето нагула эта рыба увеличивала свою массу в 4-5 раз, обеспечивая осенью и в начале зимы прирост общего улова в среднем в 3 раза. Такая деятельность осуществлялась с 50-х годов Х1Х века до начала ХХ века. Образование подавляющего большинства озер Западно-сибирского пенеплена характеризуется понижением рельефа местности с толстым слоем глинистой гидроизоляционной подложки, исключающей поступление воды из недр. Питание большинства таких озер исключительно осадочного типа. В связи с этим глубина озер незначительная, в среднем от 1,5 до 3 метров, площадь таких озер часто бывает значительной, от 1 до 100 га. Соответственно, для развития планктона создаются исключительно благоприятные условия. Наряду с планктоном бурно развивается водная растительность, которая также является кормовой базой, но при этом существенно изменяет газовый состав водоемов в течение всего года. Дефицит кислорода, возникающий в ночное время вследствие потребления кислорода водными растениями, а также в зимнее время, когда ледяной покров препятствует диффузии кислорода из воздуха в воду, является одной из основных проблем в рыбоводстве. В Челябинской области в связи с заморными процессами в водоемах ежегодно гибнут тысячи тонн промысловой рыбы.
Для обеспечения условий жизни и активного питания рыбы необходима технологическая норма растворенного кислорода для форелевых 9,0-11,0 г/м3, для сиговых 12,0-15,0 г/м3. Допустимые значения для форелевых 6,0 г/м3, для сиговых 7,0 г/м3. Оптимальный температурный режим воды считается для форели 14-18 °С, для сиговых 18-22 °С. Современный потенциал выращивания товарных сеголетков на Урале и в Западной Сибири при применении «ускоренных» технологий культивирования товарной пеляди оценивается в 10-12 тыс. тонн в год. Из-за за-морности водоемов количество крупной пеляди обычно составляет не более 10-12% от общего улова этой рыбы, а остальное составляют сеголетки.
В настоящее время аэрация водоемов осуществляется следующими способами: биологическим, химическим и механическим. Механическая аэрация -наиболее простой и быстрый способ аэрации, заключающийся в применении различных устройств, способствующих насыщению воды кислородом. Этот способ не вызывает побочных отрицательных эффектов в отличие, например, от химической аэрации.
Исследования, проведенные в ряде фермерских хозяйств Челябинской области, показывают, что самый экономичный способ аэрации - волновой. В настоящее время он является самым эффективным по удельной производительности: отношению абсолютной производительности кислорода к его мощности. Она составляет около 5 кг кислорода в час на 1 кВт мощности аэратора, что выше, чем у всех известных аналогов. Два часа работы такого аэратора фактически равны баллону чистого технического кислорода (10 кг), стоимость которого составляет 350-400 руб. За сутки экономия 12x380 = 4560 руб. Или за 150 зимних дней общая экономия 684000 руб. Летняя аэрация составит 20% от зимней аэрации. При этом себестоимость и монтаж аэрационных установок составили всего 180 тыс. руб.
Аэратор волнового типа, представляющий собой две и более параллельных профилированных лопасти с симметричными аэродинамическими профилями типа 8ЯСУ-2035, соединенными червячной передачей и/или линейным электродвигателем, предназначен для аэрации как летних, так и зимовальных прудов, в которых он за сезон может размывать майну размером несколько десятков метров. В зимовальном пруду его устанавливают в предварительно проделанную полынью размером не менее 4 м2. Мощность аэратора составляет не более 0,5 кВт. Производительность по кислороду зависит от площади аэратора и при минимальной комплектации достигает 5 кг в час.
Принцип действия устройства заключается в следующем: при подаче напряжения на электромагнит волнообразователь погружается в воду и обе лопасти начинают совершать возвратно-поступательные движения по направлению друг к другу, образуя поток, направленный вертикально в толщу воды. При этом также образуются и горизонтальные волны. Площадь
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
поверхности воды, освобожденной ото льда, увеличивается. Ускоряется процесс инвазии (абсорбции кислорода из атмосферы в воду), и концентрация кислорода повышается. В этом случае поверхность водоема не затягивается ледяной коркой.
Однако смысл аэрации заключается не только в увеличении площади воды, контактирующей с атмосферным кислородом, но и в перемешивании внутренних слоев воды, что приводит к погружению кислорода в нижние части водоема, обеспечивая нормальный уровень рН в придонных объемах. При слишком интенсивном развитии фитопланктона в прудах в безветренную погоду, при отсутствии перемешивания слоев воды может наблюдаться неравномерное вертикальное распределение кислорода (кислородная стратификация). У дна содержание кислорода может быть близко к нулю, а в поверхностном слое - перенасыщенным до 250-300%. Если такое распределение сохраняется более суток, то могут происходить заморы - гибель рыбы, обусловленная образованием в придонных слоях вредных продуктов бескислородного разложения органических веществ, таких как сероводород, метан, аммиак. Поэтому применение именно волнового способа аэрации, позволяющего перемешивать слои воды, является наиболее эффективным. Волновой аэратор с потокообразователем может снизить температуру воды в озере до 2 °С, что опасно только теплолюбивым породам рыб. Роду сиговых это понижение не опасно, они хорошо чувствуют себя до 0 °С.
Основной проблемой использования подобных устройств является отсутствие надежной системы энергопитания привода аэратора в связи с тем, что водоемы с требуемой кормовой базой находятся вдалеке от линий электропередач, а средства бесперебойного энергоснабжения в виде дизель-генераторов и систем аккумулирования электроэнергии не могут обеспечить постоянное круглосуточное энергетическое снабжение такого объекта. Более того, не существует простых и надежных механизмов поддержания открытой полыньи.
С применением новейших технологий в области возобновляемой энергетики эти проблемы могут быть эффективно решены как с технической, так и с экономической точки зрения. Принципиальным для выращивания ценных пород рыб в высококормовых, но, как правило, заморных озерах является совместное использование ветроэнергетической установки (ВЭУ) или гибридного ветро-солнечного энергокомплекса (ГЭК), позволяющего осуществлять полную автономную систему энергоснабжения с наиболее эффективным по удельной производительности волновым способом аэрации. Кроме этого, как будет показано ниже, от ВЭУ/ГЭК может дополнительно осуществляться энергопитание жилого или дежурного объекта рядом с водоемом -обогрев помещения до 6 м2 за счет инфракрасного пленочного электронагревателя со средним энергопотреблением до 20 Вт/м2, а также освещение на
основе двух светодиодных светильников мощностью 30 Вт каждый [2].
Преимущества автономной системы энергопитания аэраторов заключаются в следующем:
1. Система является полностью автономной, не зависящей от магистрального энергоснабжения, что чрезвычайно актуально из-за удаленности озер от линий электропередач (ЛЭП) [2].
2. Стоимость проведения ЛЭП в большинстве случаев гораздо выше стоимости ВЭУ. Ориентировочная удельная стоимость прокладываемых в настоящее время ЛЭП составляет около 1 млн руб. за погонный километр [11]. Более того, ЛЭП нуждается в периодическом обслуживании. С другой стороны, энергокомплекс с выходным напряжением 220 В и частотой 50 Гц может запитать аэратор мощностью 500 Вт, обеспечивая при этом отопление и освещение мощностью не более 500 Вт и 100 Вт соответственно, создавая достаточно комфортные условия для оператора или обслуживающего водоем персонала. Возможно периодическое подключение различных бытовых электроприборов и электроинструментов.
3. Стоимость электроэнергии в последние годы неуклонно растет, и этот рост, по прогнозам экспертов, будет продолжаться.
4. Себестоимость электроэнергии, получаемой от дизель-генераторов, в последнее десятилетие сильно выросла из-за дороговизны топлива. Тенденция роста цен на топливо сохраняется.
5. При круглосуточном использовании рабочий ресурс дизельного или бензинового генератора уменьшается до 4-6 месяцев, что обуславливает дополнительный рост себестоимости процесса обеспечения энергопитания.
6. Срок эксплуатации ВЭУ и солнечных модулей (СМ) составляет минимум 20 лет, период между недорогими техобслуживаниями составляет около 5 лет.
7. ВЭУ и СМ просты в обслуживании и обеспечиваются одним работником со средним специальным техническим образованием.
8. С учетом того, что средняя скорость ветра в степной и лесостепной зонах 7-8 м/с, применение ВЭУ в сочетании с СМ является самым экономичным способом получения электроэнергии для работы электроприборов. На такой скорости ветра ВЭУ обычно работают в одном из самых эффективных режимов.
9. Использование вертикально-осевых ВЭУ позволяет получать энергию даже при небольшой скорости ветра (от 3 м/с) [3].
10. Энергия является абсолютно экологически чистой: не сжигается органическое топливо, не загрязняется водоем (нет мазутных пятен на воде), система безопасна для птиц, шум и вибрации не превышают норм.
Энергокомплекс помимо ВЭУ и СМ с соответствующими регуляторами мощности должен содержать инвертор с максимально требуемой для данного применения мощностью с целью преобразования
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
энергии к стандартному виду 50 Гц / 220 В. Для периода безветрия и пиковых нагрузок в ночное время желательно установить аккумуляторы соответствующей расчетной емкости в теплом помещении [4].
Описываемые исследования проведены в фермерском крестьянском хозяйстве Марково-1 в Челябинской области. Хозяйство имеет более 200 га земли, расположенной вокруг озер, находящихся в пользовании. Уже несколько лет хозяйство занимается разведением рыбы семейства лососевых (сиг, пелядь, форель). Кормовая база таких озер позволяет получать навеску 180-240 г (для пеляди) против 90-120 г (для сига) в глубоких горных, но менее богатых кормами водоемов. Посадка форели как эффективного хищника производится для развития более ценного вида рыб на естественных кормах. Так, наличие карася в таких водоемах позволяет форели при посадке весной 200-250 г достигать 1200 г осенью.
Особенность развития этих пород рыб позволяет именно в зимнее время получать значительный прирост массы их тела при благоприятном газовом составе воды, в отличие от теплолюбивых рыб, которые во время зимовки худеют. К концу октября рыба набирает 120-140 г (сиг) и 180-240 г (пелядь), но к маю месяцу следующего года вес рыбы достигает 400-500 г, и ее товарная ценность повышается минимум вдвое. В менее кормовых озерах эта навеска достигается только к осени, увеличивая срок роста на 6 месяцев.
Приведем ряд экономических расчетов. При выходе 70% от зарыбленного количества по средней расчетной норме посадки в Челябинской области осенний выход составит с гектара
с
3000 шт. на 1 га х70% = 2100 шт. х130 г = 273 кг.
(1)
О
Весенний выход составит с гектара
о
1890 шт. (2100x10% зимн. отход рыбы)х400 г = 756 кг.
(2)
Соответственно, 273 кг х 40 руб. = 10920 руб. с 1 га осенью; (3) 756 кг х 80 руб. = 60480 руб. с 1 га весной. (4)
Примем среднюю площадь озера 25 га. Наличие кормовой базы позволяет увеличить норму посадки в три раза, до 9000 шт./га. При аэрации водоема летом и зимой весенний выход составляет
756 кг х 3 х 25 га = 56700 кг х 80 руб. = 4536000 руб.,
осенний выход
273 кг х 3 х 25 га = 20475 кг х 40 руб. = 819000 руб.
Табл. 1 расходов проекта составлена из расчета того, что энергокомплекс, состоящий из ВЭУ и СМ установленной мощностью 3 и 1 кВт соответственно, вырабатывает на умеренных ветрах 4-5 м/с электроэнергию в объеме 12 кВт-ч в сутки, что достаточно для энергоснабжения вышеупомянутых электроприборов, включая аэратор [5, 6].
Таблица 1
Общая сумма расходов проекта (разовые расходы)
Table 1
Total cost of the project expenses (one-time expenses)
Статья расходов Сумма, руб.
Затраты на «зарыбление» 27000
Фонд заработной платы 280000
Отчисления от ФЗП 29700
Стоимость аэрационных установок и монтажа 180000
Приобретение энергокомплекса и другого оборудования: ветроэнергетическая установка 3 кВт солнечные модули 1 кВт освещение светодиодное 500 Вт пленочный ИК электронагреватель 500 Вт 280000 108000 15000 25000
Всего 428000
Транспорт рыбного материала 17000
Хранение рыбного материала 22000
Итого в целом разовые расходы: 983700
Табл. 2 реализации проекта и его итоговый доход в течение хода проекта составлена на основе предыдущих вычислений.
Таблица 2
Доход от проекта
Table 2
Project income
Статья доходов Сумма, руб.
Весенний выход рыбного материала 4536000
Осенний выход рыбного материала 819000
Итого за 1 год 5355000
Сравнение таблиц показывает, что за 1 год оборудование окупается пятикратно [7]. Следовательно, срок окупаемости составляет менее 2 месяцев.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Список литературы
1. Власов В. А. Рыбоводство // Сайт Мастерская своего дела. http://msd.com.ua/fish-farming/vvedenie/. С. 1.
2. Соломин Е.В., Холстед Р.Л. Технические особенности и преимущества ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология -ШАЕЕ. 2010. № 1. С. 36-41.
3. Соломин Е.В. Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2010. № 1. С. 10-15.
4. Возмилов А.Г., Соломин Е.В. и др. Анализ причин разбалансировки аккумуляторных батарей // Альтернативная энергетика и экология - 181ЛББ. 2012. № 11 (115). С. 65-68.
5. Кирпичникова И.М., Панасюк И.Н., Соломин Е.В. Сопряжение ВЭУ малой мощности с пленочным электронагревателем для обогрева помещений // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. 2009. Вып. 12. № 34. С. 78-81.
6. Соломин Е.В. Экономические аспекты внедрения ветроэнергетических установок // Вестник ЮУрГУ. Серия «Экономика и менеджмент». Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. 2010. Вып. 14, 20 (196). С. 32-36.
7. Соломин Е. В. Перспективы использования малых ветроэнергетических установок в агропромышленном комплексе // Механизация и электрификация сельского хозяйства. Москва. 2011. Вып. 7. С. 12-15.
References
1. Vlasov V.A. Rybovodstvo // Sajt Masterskaa svoego dela. http://msd.com.ua/fish-farming/vvedenie/. S. 1.
2. Solomin E.V., Hoisted R.L. Tehniceskie osobennosti i preimusestva vetroenergeticeskih ustanovok // Al'ternativnaa energetika i ekologia -ISJAEE. 2010. № 1. S. 36-41.
3. Solomin E.V. Vetroenergeticeskie ustanovki GRC-Vertikal' // Al'ternativnaa energetika i ekologia -ISJAEE. 2010. № 1. S. 10-15.
4. Vozmilov A.G., Solomin E.V. i dr. Analiz pricin razbalansirovki akkumulatornyh batarej // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2012. № 11 (115). S. 65-68.
5. Kirpicnikova I.M., Panasuk I.N., Solomin E.V. Soprazenie VEU maloj mosnosti s plenocnym elektronagrevatelem dla obogreva pomesenij // Vestnik UUrGU. Seria «Energetika». Celabinsk: Izd-vo UUrGU.
2009. Vyp. 12. № 34. S. 78-81.
6. Solomin E.V. Ekonomiceskie aspekty vnedrenia vetroenergeticeskih ustanovok // Vestnik UUrGU. Seria «Ekonomika i menedzment». Celabinsk: Izd-vo UUrGU.
2010. Vyp. 14, 20 (196). S. 32-36.
7. Solomin E.V. Perspektivy ispol'zovania malyh vetroenergeticeskih ustanovok v agropromyslennom komplekse // Mehanizacia i elektrifikacia sel'skogo hozajstva. Moskva. 2011. Vyp. 7. S. 12-15.
Транслитерация по ISO 9:1995
— TATA — i >
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
