DOI 10.57112/22022-34

УДК 621.31

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛИЦ В УСЛОВИЯХ ОТСУТСТВИЯ ПРИВЯЗКИ К ТРАДИЦИОННЫМ СИСТЕМАМ ЭНЕРГО- И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Тригуб Максим Александрович

Мартко Екатерина Олеговна

Аннотация:

Продовольственная безопасность страны, является одной из главных задач по обеспечению сельскохозяйственной продукцией внутреннего рынка собственного производства. В условиях импортозамещения, это приобретает более серьезный характер, так как потребности рынка овощных культур, обеспечиваются в основном за счет поставок зарубежной продукции. В связи с этим возникает идея развития собственного рынка отечественной продукции, для реализации которой могут быть применены силы как крупных тепличных хозяйств, так и небольших расположенных в отдалении от городской среды. Особенно это важно для регионов не имеющих централизованной связи с системами энерго- и теплоснабжения, где особо остро стоит вопрос обеспеченности продовольствием. Выращивание продукции вблизи таких территорий позволит с одной стороны решить проблему доставки овощной и растительной продукции в данные регионы, а с другой позволит повысить долю отечественной продукции на рынке. Таким образом необходимы технические решения по реализации функционирования помещений для производства круглогодичной сельскохозяйственной продукции. В качестве таких помещений отлично себя зарекомендовали теплицы, как относительно малогабаритные сооружения с собственным микроклиматом, который с помощью современных технологий может гибко настраиваться и обеспечивать рост растительности в течении года. Разработка такой теплицы в условиях децентрализованных регионов, требует таких источников тепловой и электрической энергии, которые максимально эффективно обеспечивали бы процесс работы теплицы начиная от стабильного функционирования и заканчивая минимальными затратами на строительство и дальнейшую эксплуатацию. Следовательно, при описанных выше условиях на первый план выходит применение технологий гелиоэнергетики, как один из наиболее потенциально перспективных вариантов обеспечения тепловой и электрической энергией.

Ключевые слова: гелиоэнергетика, солнечные батареи, коллекторы, тепличное помещение, сельскохозяйственная отрасль.

В настоящее время развитию агропромышленного комплекса уделяется все больше внимания. Выращивание тепличных сельскохозяйственных культур как часть данного направления, является одним из самых популярных вариантов производства овощной и растительной продукции, за счет создания благоприятных условий пригодных для их роста развития. Но для его создания и поддержания, требуется обеспеченность энергоресурсами, а так как цены на энерго-и теплоносители с каждым годом только растут, то вопрос рентабельности производства остается открытым. В итоге энергоемкость продукции, под которой подразумевается показатель, характеризующий расход энергии на единицу продукции и представляет собой отношение затрат топливно-энергетических ресурсов к объему произведенной продукции будет довольно высокая. Данные затраты можно визуализировать при помощи диаграммы показанной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Затраты на выращивание тепличной продукции выраженное в процентах

Таким образом затраты на энергоресурсы могут превышать 60 % от общих, поэтому вопросы снижения энергоемкости продукции являются очень важными. Особенно это значительно для вновь строящихся теплиц, для которых вопрос выбора поставщика электрической и тепловой энергии как таковой не стоит, потому что в основном такими поставщиками являются компании-монополисты. Поэтому здесь возникает трудности, связанные с высокими тарифами и итоговым ценами на конечный продукт, так как из-за роста первых приходится повышать второе.

Поиск решений, направленных на разрешение данных проблем усугубляется ситуацией полного отсутствия энергоресурсов (электроэнергии и тепла) на территории объекта размещения теплицы, которыми в подавляющем большинстве является удаленные регионы где преимущественно проживает сельское население. Это в основном касается малых и средних тепличных хозяйств, обеспечиваемых теплом за счет дров и электроэнергией, за счет локальных установок работающих на углеводородном топливе.  Следовательно, цены для жителей данных регионов и на поставку в города оказываются высокими. Разрешение проблемы наличия энергоресурсов может быть решено при помощи строительства линий электропередачи (ЛЭП) вместе с прокладкой теплотрасс, но это является дорогостоящим мероприятием и не принесет должного экономического эффекта выражающегося в снижении энергоемкости продукции.

Исходя из вышесказанного, на текущий момент добиться эффективного выращивания овощных культур, при наличии как  централизованного энерго- и теплоснабжения так и автономного затруднено, следовательно задача по поиску решений направленных на увеличение эффективности выращивания, оптимизации энергоресурсов и обеспечения электричеством и теплом теплиц, особенно в условиях децентрализации являются главными задачами.

Вариант применения гелиоэнергетики в регионах с децентрализованным электроснабжением, является одним из возможных решений проблемы зависимости от энергоресурсов и роста их стоимости. В роли источников тепловой и электрической энергии предполагается использование солнечных коллекторов и батарей соответственно. Так как эксплуатация теплицы планируется в течении всего года, то это в свою очередь повлияет на особенности выбора конкретного источника тепловой энергии (плоский или вакуумный коллектор) и электрической энергии (поликристаллические или монокристаллические солнечные батареи), при этом также данный выбор зависит от следующих параметров:

- габаритов теплицы;

- типа конструкции теплицы (арочная, полуарочная, двухскатная, теплица Митлайдера);

- материала накрытия (поликарбонат, стекло, пленка);

- систем автоматического управления внутренними параметрами теплицы (определяет расход электроэнергии).

Так например, при выборе материала накрытия теплицы, будет зависеть какое количество коллекторов понадобиться для обеспечения заданного уровня тепла. Следовательно, чем лучше теплоизоляционные характеристики материала укрытия, тем меньше понадобиться солнечных коллекторов, чтобы добиться той же температуры с материалом у которого показатели теплоизоляции ниже [1].

При использовании солнечных коллекторов, КПД которых достигает 60-80 % можно добиться требуемого температурно-влажностного режима в теплице, при этом максимальный пик «загруженности» коллекторов будет наблюдаться в зимний период времени, когда для поддержания температуры будут использоваться все резервы мощности. Но вследствие того, что температура в зимнее время может доходить до довольно низких значений, потребность в поддержании заданной температуры в теплице значительно увеличиться, что потребует большего числа коллекторов. Следовательно, дополнительно к баку-аккумулятору как к промежуточному звену между солнечными коллекторами и системой отопления теплицы подключается резервный источник питания, например, в качестве которого может выступать трубчатый электронагреватель (ТЭН). Контроллер анализируя, что температура воздуха в теплице начинает понижаться ввиду снижения температуры во всей системы отопления, дает команду на включение ТЭНа, который доводит температуру в системе отопления до такой при, которой температура воздуха примет заданное значение. Использование дублирующего источника позволит сэкономить на покупке дополнительных коллекторов, что в случае вакуумных означает довольно значимое уменьшение стоимости всей тепловой системы.

Следовательно для работы автоматизированных систем контроля основных показателей теплицы необходима электроэнергия, использование которой также будет для системы искусственного освещения, работы циркуляционных насосов гелиоконтура и системы отопления, а также для работы электропривода форточек теплицы. Исходя из перечисленных функций на которые требуется электроэнергия, видно что общее потребление будет невелико, в данном случае основным потребителем будет освещение [2].  

Таким образом как было сказано выше, для небольших теплиц применение солнечных коллекторов будет оправдано, так как общая протяженность системы получается невысокой и само по себе тепличное помещение быстрее наберет требуемую температуру и прогреется,  следовательно понадобится меньше коллекторов чем в случае если это было бы большое хозяйство для которого с ростом протяженности системы отопления возникают большие тепловые потери, из-за чего применение солнечных коллекторов будет бессмысленным. Аналогичная ситуация наблюдается и в случае использования солнечных батарей, КПД которых составляет 15-20 %, но так как у нас потребителей немного и все они маломощные, то в сочетании с аккумуляторными батареями, которые необходимы в ночное время для поддержания циркуляции теплоносителя в системе отопления (зимнее и ночное время суток) и в пасмурные дни перспектива их применения оказывается более чем реальной.

В результате имея несколько небольших по сути автономных теплиц в регионах с децентрализованным энергоснабжением, можно решить одну из проблем связанную с высокими тарифами за электроэнергию и тепло и при этом увеличить рост отечественных товаров на внутреннем рынке. Реализация системы энерго- и теплоснабжения на базе технологий гелиоэнергетики, с применением солнечных батарей и коллекторов для регионов с децентрализованным энергоснабжением является одним из перспективных решений по осуществлению сельскохозяйственной деятельности в условиях ограниченности энергоресурсов.

Список используемой литературы

1. Автономная теплица, функционирующая на возобновляемых энергоресурсах [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/avtonomnaya-teplitsa-funktsioniruyuschaya-na-vozobnovlyaemyh-energoresursah/viewer - Загл. с экрана.

2. Гидропоника в промышленности, или Откуда зимой свежие овощи [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://habr.com/ru/company/lanit/blog/545716/  - Загл. с экрана.

Информация об авторах

Мартко Е. О. – к.т.н., доцент, Тригуб М. А. – студент группы 8Э-11, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-