Вітротурбінна система енергопостачання теплиці

Теплиця (Green house) — будівля, у якій зростають рослини (овочеві культури, фрукти, квіти), чутливі до тепла та освітлення. Верх та стіни тепличної будівлі виготовляються зі скла або полімерної прозорої плівки. Плівкове покриття може бути одинарним або подвійним, у другому випадку, міжплівковий простір заповнюється повітрям. Плівка забезпечує максимальне пропускання сонячного світла, у тому числі, в ультрафіолетовому діапазоні оптичного спектру. Сонячне випромінювання проникає через прозору покрівлю та стіни і виконує дві функції: освітлення рослин та обігрів ґрунту, повітря й рослин. Світло є головним джерелом енергії для процесу фотосинтезу. Тепло сонячного випромінювання є умовою вегетації рослин, воно утримується у приміщенні теплиці стінами та покрівлею, головним механізмом обігріву рослин та ґрунту у теплиці є конвекція. Вторинне випромінювання довгохвильової області спектру також утримується в теплиці, так як скління та полімерна плівка перешкоджають проходженню довгохвильового випромінювання. В результаті, температура всередині теплиці перевищує температуру довкілля.

В осінньо-весняний та зимовий періоди сонячного випромінювання недостатньо для освітлення та обігріву рослин. Необхідні параметри ґрунту та повітря в теплиці (освітленість, температура та вологість) забезпечуються використанням відповідних технологічних процесів та обладнання. Зокрема, енергосистема тепличного комплексу виконує теплопостачання, доосвітлення та керування гідравлічною системою поливу, яка включає розчинні вузли, системи дезинфекції, крапельного зрошення, зволоження та «припливу-відпливу». Вона дозволяє виробляти поживні розчини для  кожного виду рослин та підтримувати клімат. Теплична галузь є енергоємною, вартість енергоносіїв у структурі собівартості продукції, в залежності від виду культур, складає ~ 55 %.

Стратегією енергозбереження при вирощуванні рослин у закритому ґрунті є зменшення споживання енерго­носіїв на тонну виробленого продукту та використан­ня нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії (вітру, Cонця, біогазу) для виробництва електричної та теплової енергії. Використання відновлюваної енергії дозволяє у 2…3 рази знизити зовнішнє енергопостачання, продовжити сезон вирощування рослин, підняти врожайність та розширити асортимент рослин. Але відновлювані системи енергетики залежать від погодних умов, часу доби та сезону. Для того ж, аби  використання відновлюваних джерел енергії в тепличних господарствах було не менш рентабельним, ніж традиційних систем, які працюють на згоранні органічного палива, необхідно використовувати нові підходи до побудови систем енергозабезпечення.

До автономної системи енергопостачання тепличного господарства пред'являються наступні вимоги: забезпечення всесезонного та цілодобового постачання тепличного господарства необхідними енергетичними ресурсами з долею відновлюваної енергії для середніх широт на рівні 70 %, що дозволить знизити зовнішнє енергопостачання, продовжити сезон вирощування рослин, підняти врожайність та розширити асортимент рослин; забезпечення тепловою енергією для підігріву води, ґрунту та повітря; забезпечення електричною енергією для живлення насосів, компресорів та транспортерів і, особливо, для додаткового оптимального підсвічування рослин у межах 6000..,20000 люкс (0,1 кВт  на корисної площі) протягом року у місцях з холодним кліматом, при цьому спектральний діапазон оптичного випромінювання, важливий для фотосинтезу, знаходиться в межах Δλ = 0,4…0,7 мкм; потужність енергосистеми вибирається із розрахунку ~ 2 МВт теплової енергії та ~ 1 МВт електричної енергії на закритого ґрунту; можливість паралельної роботи з іншими джерелами теплової енергії (водогрійними котлами, теплогенераторами та когенераційними системами); врахування впливу зовнішніх кліматичних показників, зокрема, температури повітря, освітленості, вологості, швидкості та напряму вітру, наявності та інтенсивності дощових опадів, хмарності та положення Сонця; врахування  внутрішньо-тепличних параметрів (температури та вологості ґрунту, концентрації вуглекислого газу) у різних частинах теплиці.

Базова схема вітротурбінної системи електро- й теплопостачання (вітряної теплоелектростанції) для автономного енергозабезпечення тепличного господарства WTHS включає вітроенергетичну установку WT, електричний адаптер EA, підземний акумулятор тепла TS, електричні нагрівачі ЕH, теплообмінники ТE. Вітротурбінна система енергопостачання може працювати в двох режимах: виробництва електроенергії ЕЕ та виробництва й акумулювання теплової енергії ТНE. Акумулятор тепла TS представляє собою термоізольовану ємність-цистерну, виконану у вигляді судини Дюара з робочою рідиною, яка характеризується високою питомою теплоємністю. У спрощеному вигляді таким теплоносієм може виступати вода. При більш прискіпливому підході у якості теплоносія можуть використовуватись розчини солей, які мають вищу точку кипіння та більшу питому теплоємність. Акумулятор тепла може складатися також з декількох резервуарів RSV1, RSV2, RSV3. Кожен з них призначений для зберігання теплоносія з різною температурою. Упорядкований теплообмін між теплоносіями, які знаходяться в різних резервуарах, виконується за допомогою системи трубопроводів. При створенні системи теплопостачання теплиці у якості вторинного контуру для відбору тепла можуть бути використані конструктиви теплового насоса. Акумулятор тепла може бути виконаний у наземному та підземному варіантах розташування резервуарів-накопичувачів теплоносія. Вибір тієї чи іншої конструкції визначається конкретними задачами, які вирішуються при створенні теплової системи.

Вітроенергетична система теплопостачання теплиці функціонує наступним чином. Вітрова турбіна перетворює кінетичну енергію рухомого повітря в механічну обертальну енергію ротора. Електродинамічна система віттрогенератора перетворює кінетичну енергію обертання ротора в електричну енергію ЕЕ, яка доводиться до потрібних параметрів у електричному адаптері ЕА і подається на електричні нагрівачі ЕH в акумуляторі тепла TS. Електричні нагрівачі ЕH перетворюють електричну енергію в Джоулеве тепло й нагрівають теплоносій (наприклад, воду) в акумуляторі тепла. Накопичення тепла відбувається до тих пір, поки температура теплоносія в резервуарах сягне необхідного значення. З цього моменту вітротурбінна система з процесу накопичення тепла автоматично переключається на виробництво електроенергії, яка йде на потреби тепличного господарства, або ж передається в загальну електромережу EN. Відбір тепла з акумулятора для потреб тепличного господарства відбувається за допомогою теплообмінників ТE.

Принципи побудови базової схеми можуть бути застосовані для створення вітротурбінних систем теплопостачання теплиць різної потужності. Метою і задачами розробки вітрової теплоелектростанції для опалювання тепличного господарства є встановлення вихідних даних опалюваних теплиць та інших приміщень господарств, визначення параметрів та характеристик вітрової теплоелектростанції, порівнювальна оцінка енергетичних параметрів вітрової теплоелектростанції з параметрами традиційної котельні на органічному паливі.

Параметри і характеристики вітряної (вітротурбінної) теплоелектростанції визначаються характеристиками опалюваних теплиць.

Характеристика опалюваних теплиць: опалювана площа теплиць S_GH; питома інтенсивність втрат тепла теплицями I_THL; втрати тепла теплицями за добу, місяць, опалювальний сезон E_GH.

Параметри і характеристики вітротурбінної (вітряної0 теплоелектростанції: сумарна потужність вітрового потоку P_wpp; сумарна електрична потужність вітрових агрегатів (ВЕУ) P_WPP-EL; електрична потужність одного вітроагрегату P_WA-EL; кількість вітрових агрегатів N_WA; сумарна площа охвату вітрових турбін А_WPP; площа охвату однієї вітротурбіни А_WT; час повного термодинамічного циклу, протягом якого ведеться неперервне телопостачаня t_HS; тривалість вітру t_WPP; коефіцієнт використання відновлюваної енергії потоку повітря ζ_WD (коефіцієнт корисної дії вітрової турбіни k_WT), ζ_WD = k_WT; коефіцієнт корисної дії вітрогенератора (електрогенератора) k_WG; коефіцієнт корисної дії вітроагрегату (ВЕУ) k_WA; кількість Е_WPP-EL та вартість P_PRΣ річного виробітку електричної та теплової енергії; ціна 1 кВт·год p_PR (US$/кВт·год); маса m_HTF та об'єм V_HTF теплоносія (наприклад, води) в акумуляторі тепла; питома теплоємність теплоносія c_HC; сумарна теплоємність теплоносія в акумуляторі тепла Q_TS; різниця кінцевої і початкової температур  теплоносія ΔT; маса M_OFF та/або об'єм V_OFF органічного викопного палива, яке заощаджується при функціонуванні вітротурбінної теплоелектростанції протягом року при коефіцієнті корисної дії котельні k_OFF-TH, теплотворній здатності органічного палива (природного газу) с_OFF.

В таблиці приведені параметри вітротурбінних та традиційних систем теплопостачання тепличних господарств різної потужності, розраховані для наступних вихідних даних: площа теплиці — 10000…60000 м²; питома потужність втрат тепла у теплиці — 200 Вт/м²; питома потужність електричної системи доосвітлення — 100 Вт/м²; середньодобова тривалість вітру — 10 годин; тривалість опалювального сезону — 6 місяців; середньостатистичне значення швидкості вітру для даної місцевості — 7 м/с; коефіцієнт корисної дії вітроенергетичної системи — 0,5; питома теплоємність теплоносія (води) — 4,2 кДж/(кг·°C); робочий температурний режим функціонування акумулятора тепла — 20⁰C…90⁰C…20⁰C; коефіцієнт корисної дії котельні на органічному паливі — 0,9; питома теплотворність органічного палива (природний газ) — 32,7 МДж/м³. З урахуванням того, що частина втрат тепла компенсується теплом доосвітлення, сумарне значення питомих втрат у теплиці можна прийняти рівним 100 Вт/м². 

Параметри вітротурбінних систем теплопостачання тепличних господарств  

При середньодобовій тривалості вітру 10 годин для теплиць площею S_GH = 10000…60000 м² необхідна площа обхвату вітрових турбін вітрової системи теплопостачання А_WPP змінюється з до . Кількість вітроенергетичних установок у складі вітрової теплоелектростанції визначається потужністю однієї ВЕУ та сумарною потужністю ВЕС. Теплоємність водяного акумулятора тепла визначається питомою теплоємністю теплоносія (води) та середньодобовими втратами тепла опалювальними площами теплиць. Використання вітротурбінних систем для теплопостачання теплиць дозволяє у значній мірі відмовитись від використання органічного палива й знизити викиди парникових газів. Приведені показники дозволяють у першому наближенні оцінити економічну ефективність використання вітротурбінних технологій теплопостачання. Аби забезпечити опаленням тепличне господарство площею закритого ґрунту (1га) необхідно акумулювати 86,5 ГДж теплової енергії протягом доби, що забезпечується використанням у якості теплоносія води об'ємом . Використання вітряної теплоелектростанції для опалювання тепличного господарства дозволяє протягом 10 років заощадити природного газу сумарною вартістю US$2,650 млн. При обґрунтуванні економічної доцільності використання вітряних технологій для теплопостачання теплиць можна скористатись у якості вихідних даних вартістю природного газу, що економиться при використанні вітрової системи теплопостачання. До уваги також треба взяти те, що тривалість опалювального сезону обмежується у наших широтах половиною року, відповідно, в іншу половину року система може працювати в режимі виробництва електроенергії. З урахуванням цих факторів, максимальна ціна вітротурбінної системи не має перевищувати US$5,3 млн. До речі, вартість одиниці встановленої потужності вітроенергетичних систем становить ~ 1700 US$/кВт.  

При плануванні енергозабезпечення тепличного господарства за допомогою відновлюваних джерел енергії потрібно враховувати дію на території України низки законів по підтримці розвитку сільського господарства. Зокрема, закон «Про державну підтримку сільського господарства України» визначає основи державної політики у бюджетній, кредитній, ціновій, страховій, регуляторній та інших сферах державного управління щодо стимулювання виробництва сільськогосподарської продукції та розвитку аграрного ринку, а  також забезпечення продовольчої безпеки населення.

Сільськогосподарським  товаровиробникам відшкодовується в обсязі 30 % вартість закупівлі техніки та обладнання для сільськогосподарського виробництва, будівництва та реконструкції підсобних підприємств з переробки та зберігання сільськогосподарської продукції. При ввезенні на митну територію України сільськогосподарськими товаровиробниками  техніки та обладнання для сільськогосподарського виробництва (тракторів, комбайнів, сільськогосподарських машин, вантажних автомобілів, причепів, обладнання для тваринництва і птахівництва, забою  худоби  та птиці, виробництва продуктів харчування, зберігання  і  подальшої переробки зерна, овочів, фруктів, м'яса, молока, відходів виробництва для  виготовлення біопалива та інших альтернативних видів енергії), аналоги яких не виробляються в Україні, з цих товарів не справляється ввізне мито.

Державна підтримка передбачає компенсацію та відшкодування за рахунок коштів державного бюджету сільськогосподарським товаровиробникам вартості збудованих у сільській місцевості соціально-побутових об'єктів (житлові будинки, гуртожитки, дитячі садки та ясла, школи, медичні пункти), інженерно-технічних комунікацій (дороги, водопровідні, каналізаційні, газові мережі та мережі електропередачі), альтернативних видів тепло- та енергопостачання) за умови, що вони забезпечують діяльність цих соціально-побутових об'єктів.

• Теплопостачання
• Теплопостачання з відновлюваних джерел енергії
• Багатосекційна вітротурбінна теплоелектростанція
• Вітротурбінна теплоелектростанція
• Вітротурбінна система енергопостачання зерносховища
• ТОВ «Ніжинські лабораторії скануючих пристроїв»

• Сидоров В. І. Вітротурбінні технології та системи теплопостачання / у кн. Технології гідро- та вітроенергетики. — Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. — 166 с.
• Сидоров В. І. Вітрові теплоелектростанції // Промислова електроенергетика та електротехніка. — 2018. — № 1. — С. 28–36.