Введение к работе
Актуальность проблемы В районы автономного энергоснабжения Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера, ежегодно завозится 6-8 млн тонн горюче-смазочных материалов (дизельное топливо, бензин, мазут, масла) и 20-25 млн тонн угля В связи с увеличением транспортных расходов стоимость топлива в указанных районах значительно превышает цены производителей и уже достигла 300 долл /тут Общее потребление энергоресурсов в сельском хозяйстве Сибири оценивается, величиной порядка 12 15 млн.т у.т. Затраты на энергообеспечение сельских районов составляют около 1/6 всех затрат на энергоснабжение народнохозяйственного комплекса региона Основной потребитель энергоресурсов - тепловые процессы (до 80% по районам Сибири), значительная доля из них приходится на получение горячей воды для технологических нужд в сельском хозяйстве, на отопление животноводческих помещений, теплиц
Для осуществления энергосбережения в агропромышленном комплексе (АПК) необходима разработка и внедрение эффективных технических средств и экологически чистых технологий, обеспечивающих гарантированное увеличение количественных и качественных показателей АПК, что особенно актуально для районов Сибири и Дальнего Востока, где на топливо и его завоз тратится более половины бюджета территорий, а стоимость отпускаемой тепловой энергии достигает 3500 руб/Гкал
Нехватка топлива зачастую ставит под угрозу жизнь людей, и государство вынуждено решать вопрос завоза топлива с помощью МЧС России В структуре потребления ТЭР Восточной Сибири преобладает уголь в Республиках Бурятия (РБ)-48,4%, Тыва - (42,5%), Хакасия -(31,5%), областях - Иркутской (32%), Читинской (60,1%) Из-за специфики развития региона велика доля мелких котельных, до 50%, в которых как и на ТЭЦ, сжигаются в основном местные угли, в связи с чем возникает острейшая проблема негативного влияния объектов энергетики на окружающую среду
Поэтому решение научной проблемы - разработки методологии энергосберегающих технологий на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), учитывающих социальный, экологический и региональный факторы развития АПК Сибири является актуальным и заключается в необходимости надежного и устойчивого теплообеспечения жилого сектора, ЛПХ, сельского хозяйства Этим требованиям отвечают технологии с использованием ВИЭ, особенно солнечной энергии, преобразование которой в тепло невысокого потенциала для горячего водоснабжения и отопления, получило наибольшее развитие в мире
В связи с чем, целью диссертационной работы является разработка научных основ энергоэффективных технологий и гелиотехнического оборудования для снижения экологической нагрузки, обеспечения энергетической и продовольственной безопасности, повышения качества жизни сельского населения
Обьектом исследования являются солнечные системы теплообес-печения жилых домов, теплиц, фермерских хозяйств, свойства теплоак-кумулирующих материалов, а также технологические процессы функционирования биотехнической системы для производства молока
Предмет исследования - закономерности, связывающие параметры систем солнечного теплоснабжения технологических процессов объектов сельского хозяйства, личных подсобных хозяйств, жилого сектора с показателями энергетической, экологической и экономической эффективности
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи
-
Обосновать роль и значимость реализации технического потенциала солнечной энергии для теплообеспечения жилого сектора, объектов сельского хозяйства региона Сибири
-
Обосновать критерии эффективности и разработать математические модели функционирования систем жизнеобеспечения фермерских хозяйств, теплиц
-
Разработать методики и модели для определения теплопроизводи-тельности пассивных солнечных систем (ПСС), энергоэффективности тепловых аккумуляторов для теплообеспечения фермерских хозяйств, теплиц, жилых домов и ЛПХ
-
Разработать опытные образцы гелиотехнического оборудования и экспериментальные установки для определения их теплотехнических, гидравлических характеристик
-
Дать технико-экономическую оценку эффективности использования активных и пассивных солнечных систем отопления и тепловых аккумуляторов
Методы исследований Теория вероятностей и математической статистики, методы системных исследований, регрессионного анализа, f-метод, статической оптимизации и энергетического анализа
Научную новизну исследований представляют.
- методология обоснования энергоэффектйвности и экологичности использования активных и пассивных солнечных систем в энергосберегающих технологиях для теплоснабжения жилого сектора, фермерских и личных подсобных хозяйствах,
метод системных исследований для моделирования биотехнической системы (БТС) на молочных фермах и создания энергоэффективных солнечных теплиц,
математические модели для обоснования рациональных режимов работы систем вентиляции и отопления и выбора энергетических характеристик активных и пассивных солнечных систем
Практическую значимость работы представляют
методика расчета эффективности функционирования солнечных теплиц с ПСС,
методика расчета энергетической эффективности тепловых аккумуляторов (ТА) с различными параметрами насадки, геометрией слоя, скоростями движения теплоносителя, удельной теплоемкостью, плотностью насадки,
гелиотехническое оборудование- солнечные коллектора (СК) с теплоносителем вода, воздух, тепловые аккумуляторы с теплоаккумули-рующими насадками (ТАН) «галька» и «цеолиты»,
- проектно-сметная документация на фермерское хозяйство на базе
ВИЭ, гибридную ферму-теплицу для ЛПХ, солнечную теплицу
Реализация результатов исследования Разработанные методические рекомендации «Использование солнечной энергии для нагрева воды в сельском хозяйстве Сибири» были рекомендованы НТС АПК Бурятской АССР (постановление Правительства №15 от 26 03 86г) для внедрения проектной организации «ВостСибГипросельхозстрой», солнечные установки для нагрева воды (по постановлению от 13 03 89 г НТС Новосибирского Агропрома) были внедрены, впервые в Сибири, на фермах совхозов «Шарапский» и «Новосибирский»
Разработанные программы «Развитие нетрадиционной энергетики РБ на 2001-2005 гг », вошедшая в ФЦП «Энергосбережение в России в 1998-2005 гг » и программа «Энергосбережение Баргузинского района с использованием ВИЭ» позволили решить вопрос строительства 2 малых ГЭС до 1 МВт в данном районе
Разработанные опытные образцы солнечных коллекторов (СК) в рамках ФЦП социально-экономического развития РБ (Постановление Правительства РФ от 15 04 1996г №442) и по Распоряжению Министер-
Экспертный комитет ООН в 2005г на состоявшемся глобальном конкурсе научно-технических работ в области возобновляемой энергетики в Гонконге определил проект «Энергоэффективная солнечная теплица» в числе 8 лучших, отобранных из 130 заявленных проектов А автор был назван победителем конкурса и стала первым ученым России, награжденной престижным призом BlueSky (голубое небо) с вручением сертификата Департамента Промышленности ООН
ства науки и технологий РФ №1644Ф от 21 10 1999г «Разработка солнечного коллектора, свободно - поточной гидротурбины, проекта солнечной теплицы» были внедрены как солнечные установки для горячего водоснабжения фермерских хозяйств в Закаменском, Кижингинском, Иволгинском районах РБ,
Разработанные энергоэффективные технологии фермерского хозяйства, гибридной фермы-теплицы, жилого дома, теплицы с солнечными системами теплоснабжения позволили сформировать перечень объектов ВИЭ с указанием их предварительных технических, экономических характеристик и плана их строительства на Байкальской природной территории (БПТ) в рамках подготовки Российской программы развития ВИЭ по Глобальному экологическому фонду
Разработанное учебное пособие «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии Расчет энергетических показателей» рекомендовано УМО вузов по агроинженерному образованию для студентов по специальности 311400 - «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» Созданный демонстрационный полигон возобновляемой энергетики (ВЭ) и лаборатория по ВЭ являются одной из первых учебных баз в Сибири для подготовки специалистов в области ВЭ в сельском хозяйстве на инженерном факультете БГСХА
Основные положения, выносимые на защиту:
методология обоснования использования солнечной энергии для теплообеспечения обьектов сельского хозяйства, фермерских и ЛПХ региона Сибири
математические модели эффективности функционирования БТС на фермах для молочных коров и создания солнечной теплицы
- результаты экспериментальных и аналитических исследований
ТАН для обоснования оптимального режима аккумуляции тепла в теп
ловых аккумуляторах и геометрии слоя ТАН, гидравлических и тепло
технических характеристик разработанных СК, ТА с теплоносителем
воздух и вода
- результаты расчета, теплопроизводительности ПСС теплицы и
фермы в отопительный период, энергетических характеристик ССТ жи
лого дома, себестоимости выработки ІГкал теплоты ССТ в фермерском
хозяйстве, солнечной теплице, гибридной ферме-теплице для ЛПХ
- результаты технико-экономического расчета эффективности вне
дрения ССТ на существующих объектах сельского хозяйства и жилого
сектора РБ и предлагаемых 12 проектов для внедрения в Байкальском
регионе
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в XXI веке Ак-
туальные вопросы и стратегические ориентиры» (Москва,2002г ), международных научно-технических конференциях Международного общества «Солнечная энергетика» (Никассия, Кипр,1994г), «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 1991-1998 гг), «PROCEEDINGS of international agricultural mexanization conferenge» (Пекин, 1991 г ), «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2001,2003 гг), «I Монгольская конференция по фотоэнергетике» (Улан-Батор, 2001 г), «Энергосбере-жающие технологии и оборудование возобновляемой энергетики» (Удина, Италия, 2006г ), международных семинарах «Возобновляемая энергетика» (Перт, Сидней, Канберра, Австралия, 2002 г), «Бизнес и инвестиции в области ВИЭ в России» (Москва, 1999 г.), глобальном конкурсе «Энергоэффективные технологии возобновляемой энергетики» конгресса Департамента промышленности ООН (Гонконг, 2005г );
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 50 научных работах, в т ч в периодических изданиях по перечню ВАК, в 2 монографиях, 2 методических рекомендациях и учебном пособии
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающих 120 наименований и приложений Работа изложена на 350 страницах, содержит 82 иллюстраций и 54 таблиц
