Концентраторна сонячна система теплопостачання агропромислових об'єктів (Concentrator solar system of heat supply of agro-industrial facilities) — теплоелектростанція, в якій зосереджена енергія сонячного випромінювання використовується як джерело тепла в термодинамічному циклі перетворення теплової енергії в механічну за допомогою парогенератора, а потім в електричну енергію, частина тепла з сонячної теплоелектростанції йде на обігрів агропромислових об'єктів.

Енергетичні параметри концентраторної сонячної теплоелектростанції визначаються через параметри і характеристики опалюваних агропромислових об'єктів.

Обгрунтування необхідності створення

Аграрний сектор (сільське господарство, харчова і переробна промисловість) забезпечує продовольчу безпеку та продовольчу незалежність країни, формує 17 % валового внутрішнього продукту та близько 60 % фонду споживання населення. Крім того, аграрний сектор є одним з основних бюджетоутворювальних секторів національної економіки, частка якого у зведеному бюджеті України за останні роки становить 8–9 %, а також займає друге місце серед секторів економіки у товарній структурі експорту.

Сільське господарство сприяє розвитку інших галузей, які поставляють засоби виробництва та споживають продукцію сільського господарства як сировину, а також надають транспортні, торговельні та інші послуги. Особлива роль аграрного сектору в соціально–економічному житті країни зумовлюється унікальним поєднанням сприятливих природно–кліматичних умов та геостратегічним положенням, спроможністю України зайняти вагоме місце на міжнародному продовольчому ринку.

Ключові системоутворюючі галузі сільського господарства, що підлягають першочерговому реформуванню — це рослинництво (зернові, зернобобові, технічні та кормові культури), молочне скотарство та свинарство. Основними енергоємними об'єктами агропромислового комплексу, що потребують реформування їх енергозабезпечення є:

у тваринництві — тепличні господарства, зерносховища (елеватори), овочесховища, системи водопостачання та зрошення сільськогосподарських угідь, системи запобіганню підтопленню сільськогосподарських земель підземними водами;

у тваринництві — молочні ферми, свиноферми, птахоферми.

На сьогоднішній день обігрів агропромислових об'єктів здійснюється котельнями, що працюють на спалюванні органічного палива. Основними вадами, що обмежують розвиток систем теплозабезпечення, є невідновлюваність органічного палива, парникові викиди та забруднення довкілля, низька енергетична ефективність систем теплопостачання, висока вартість органічного палива, високі втрати при транспортуванні теплової енергії.

Серед можливих технологій виробництва відновлюваної теплової енергії для енергозабезпечення агропромислових об'єктів обґрунтовані переваги мають вітрові та термальні сонячні технології, зокрема, концентраторні сонячні технології постачання теплової енергії. Цей вибір виправданий тим, що системи відновлювальної енергетики можуть бути наближені до споживачів та забезпечувати менші втрати енергії при транспортуванні.

У подальших розділах розглядаються концентраторні сонячні системи енергозабезпечення тепличних господарств та зерносховищ різної потужності.

Концентраторна сонячна система теплопостачання тепличного господарства

Вимоги до системи енергопостачання теплиці

Необхідність та можливість цілорічного постачання населення свіжими овочами прискорює появу та розвиток тепличних господарств.

Теплиця (Green house) — будівля, у якій зростають рослини (овочеві культури, фрукти, квіти), що у своїй більшості чутливі до освітлення. Теплиця обігрівається сонячним випромінюванням, що проникає через прозору покрівлю та стіни та поглинається ґрунтом, рослинами та повітрям. Світло є головним джерелом енергії для процесу фотосинтезу, його параметри враховуються при побудові теплиць. У осінньо-весняний та зимовий періоди при пониженому освітленні Сонцем у тепличних господарствах використовуються електричні системи освітлення. Тепло утримується у приміщенні теплиці стінами та покрівлею. Перевипромінене а довгохвильовій ділянці спектра тепло також частково утримується в теплиці, оскільки скло перешкоджає проходженню довгохвильового випромінювання. Дії цих факторів сприяють перевищенню температури всередині теплиці над температурою довкілля.

Необхідні параметри ґрунту та повітря в теплиці (освітленість, вологість та температура) забезпечуються використанням технологічних процесів та обладнання. Зокрема, енергосистема тепличного комплексу виконує енергопостачання, доосвітлення та керування тепличним господарством. Гідравлічна система поливу включає розчинні вузли, системи дезінфекції, крапельного зрошення, зволоження та «приливу-відливу». Вона дозволяє виробляти поживні розчини для  кожного виду рослин та підтримання клімату. Теплична галузь є енергоємною. Вартість енергоносіїв у структурі собівартості продукції, у залежності від виду культур, складає біля 55 %.

Стратегією енергозбереження при вирощуванні рослин у закритому ґрунті є зменшення споживання енерго­носіїв на тонну виробленого продукту та використан­ня нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії (Сонця, вітру та біогазу) для виробництва теплової та електричної  енергії. Частка автономного енергозабезпечення тепличних господарств у загальному енергетичному балансі постійно зростає і на сьогодні для середніх широт вона складає ~ 25–35 %. Використання відновлюваної енергії дозволяє у 2–3 рази знизити зовнішнє енергопостачання, продовжити сезон вирощування рослин, підняти урожайність та розширити асортимент рослин.

Шиллер Л. та Плінке М. у своїй роботі досліджують можливість створення цілорічної сонячної теплиці з нульовим енергоспоживанням в будь-якому кліматі без використання викопного палива.

До автономної системи енергопостачання тепличного господарства пред'являються наступні вимоги:

забезпечення всесезонного та цілодобового постачання тепличного господарства необхідними енергетичними ресурсами з долею відновлювальної 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 0,1 кВт  на 1 м2 корисної площі протягом року у місцях з холодним кліматом. Спектральний діапазон оптичних випромінювань, важливий для фотосинтезу — 0,4–0,7 мкм. питома потужність енергосистеми вибирається із розрахунку ~ 2 МВт теплової енергії та ~ 1 МВт електричної енергії на 1 гектар закритого ґрунту; можливість паралельної роботи з іншим джерелами теплової енергії: водогрійними котлами, теплогенераторами та когенераційними системами; врахування впливу зовнішніх кліматичних показників: температури повітря, освітленості, вологості, швидкості та напряму вітру, наявності та інтенсивності дощових опадів, хмарності та положення Сонця; врахування  внутрішньо-тепличних параметрів: температури та вологості грунту та рослин у різних частинах теплиці, концентрації вуглекислого газу.

Базова схема концентраторної сонячної системи теплопостачання теплиці Раціональним вибором для автономного енергозабезпечення по багатьом критеріям може бути концентраторна сонячна система теплопостачання CSPS. Вона включає параболічний тарілкоподібний сонячний концентратор SC, тепловий HR (TR) та фотоелектричний PVC приймачі сонячної енергії, електромеханічну систему слідкування за Сонцем TК та акумулятор тепла TS. Дзеркальний фацетний концентратор, який може бути виконаний по схемі Кассегрена, складається із двох дзеркальних тарілкоподібних відбивачів М1, М2. Концентратор встановлюється на електромеханічній системі слідкування за Сонцем TК. Дзеркальна система збирає сонячне випромінювання SR з великої площі та фокусує його на приймачі, таким чином, нагріваючи теплоносій у первинному контурі, а потім і великі об'єми води в акумуляторі тепла TS. Акумулятор тепла TS є термоізольованим резервуаром із робочою рідиною–теплоносієм, що характеризується високою питомою теплоємністю. Доставка теплової енергії від сонячного концентратора до акумулятора та від акумулятора до споживачів здійснюється за допомогою контурів SC→TS та TS→UR.

Використання фотоелектричного приймача PVC дозволяє у повній мірі використовувати можливості концентраторної системи в літній сезон, коли виробництво тепла для теплиці не є критичним. При значній інсоляції в концентраторній системі використовується фотоелектричний канал, і вона працює в режимі виробництва електричної енергії для потреб тепличного господарства або поставляє її надлишок у загальну електромережу.

Підвищеними енергетичними параметрами володіють секційні конструкції концентраторних сонячних систем теплопостачання з підземним та/або наземним акумуляторами тепла.

З метою забезпечення надійності концентраторна система сонячного теплопостачання та гарячого водопостачання може бути комбінована з іншими енергетичними технологіями: традиційними, що працюють на спалюванні органічного палива, та нетрадиційними, що використовують альтернативні джерела відновлюваної енергії..

В таблиці проведена оцінка параметрів сонячної та традиційної систем теплопостачання на органічному паливі, розрахованих для наступних вихідних даних: площа теплиці — 10000–100000 м2; питома потужність втрат тепла у теплиці — 200 Вт/м2; середньодобовий час випромінювання Сонця — 6 годин; тривалість опалювального сезону — 6 місяців; середньостатистичне значення сонячної сталої для даної місцевості — 1000 Вт/м2; коефіцієнт корисної дії термальної сонячної системи — 0,9; питома теплоємність теплоносія (води) cHC = 4,2 кДж/(кг·К); робочий температурний режим функціонування акумулятора тепла ΔT = 20 0C — 90 0C — 20 0C; коефіцієнт корисної дії котельні на природному газу kOFF-TH = 0,9; питома теплотворна здатність природного газу сOFF = 32,7 МДж/м3.

Порівняльна оцінка параметрів сонячної та традиційної систем

теплопостачання теплиці

Теплоенергетика теплиціПлоща теплиці, тис. м2102030405060708090100Втрати тепла за 24 години, ГДж17334651869186410371210138215551728Втрати тепла за  6 міс. ×103, ГДж316293124155186217248279310Інтенсивність втрат, МВт2468101214161820Сонячна теплоелектростанціяПотужність сонячної системи, МВт8162432404856647280Сонячна енергія за 6 годин, ГДж17334651869186410371210138215551728Сонячна енергія за 6 міс. ×103, ГДж316293124155186217248279310Площа концентратора×103, м28,917,826,735,644,553,362,271,18089Теплоємність акумулятора, ГДж17334651869186410371210138215551728Об'єм водяного акумулятора, м3590118017702360295035404130472053105900Котельня на природному газуПотужність котельні, МВт2468101214161820Витрати п/газу за 6 міс.×103, м310552110316542205275633073858440949510550Т/творність п/газу за 24 години, ГДж17334651869186410371210138215551728Т/творність п/газу за 6 міс. ×103, ГДж316293124155186217248279310Вартість п/газу за 6 міс.×103, US$527,5105515832110263831653693422047485275 Для теплиць площею 10000–100000 м2 необхідна площа оптичного концентратора сонячної системи теплопостачання при середньодобовій тривалості сонячного освітлення 6 годин змінюється відповідно до графіку. Теплоємність акумулятора тепла визначається питомою теплоємністю води або питомою ентальпією фазового переходу теплоносія та середньодобовими втратами тепла опалюваними теплицями. Використання сонячних систем теплопостачання дозволяє значною мірою відмовитись від використання органічного палива та знизити викиди парникових газів. Ці дані дозволяють у першому наближенні оцінити економічну ефективність використання сонячних технологій теплопостачання порівняно з традиційними системами на органічному паливі.