Электри­чество для коров

Фотоволь­та­и­че­ская система на коровьей ферме

Roman Rubanovich, NENCOM

Многие объ­екты сель­ского хозяй­ства не под­клю­чены к элек­три­че­ским сетям. Поэтому фер­меры исполь­зуют дизель­ные гене­ра­торы, чтобы обес­пе­чить энер­гией необ­хо­ди­мое обо­ру­до­ва­ние.

Генера­торы, доро­гие сами по себе, посто­янно тре­буют допол­ни­тель­ных рас­хо­дов, свя­зан­ных с покуп­кой топ­лива и регу­ляр­ным обслу­жи­ва­нием: заме­ной масла, филь­тров, охла­жда­ю­щей жид­ко­сти и так далее. Всё это обхо­дится совсем недё­шево, но под­клю­читься к сети — ещё дороже.

Владельцы нового коров­ника, рас­по­ло­жен­ного непо­да­лёку от села Калчево Ямболской обла­сти, купили трёх­фаз­ный дизель­ный гене­ра­тор мощ­но­стью 22 kW. Фермеры запус­кали его дважды в день, чтобы доить коров.

Дизель­ный гене­ра­тор

Во время работы гене­ра­тор сильно шумел и вонял, а в другое время коро­вья ферма оста­ва­лась без элек­три­че­ства. Простран­ство вокруг гене­ра­тора покры­лось копо­тью за несколько меся­цев. Разуме­ется, фер­меры не захо­тели мириться с таким поло­же­нием дел и обра­ти­лись к нам.

Место для мон­тажа элек­тро­стан­ции

Важно! Выхлоп­ные газы дизель­ных дви­га­те­лей офи­ци­ально при­знаны кан­це­ро­ге­ном первой группы, вызы­ва­ю­щим рак лёгких. Дизель­ный выхлоп нега­тивно влияет на эко­си­стему и эффек­тив­ность сель­ского хозяй­ства.

Diesel exhaust carcinogenic

Diesel exhaust & Honeybees

Анализ ситу­а­ции

Молочное живот­но­вод­ство под­ра­зу­ме­вает спе­ци­фи­че­ский график энер­го­по­треб­ле­ния, с двумя пиками в тече­ние дня. Первое доение про­ис­хо­дит рано утром, а второе — вече­ром. Это значит, что летом коровы дают молоко во время вос­хода и заката солнца, когда боль­шая часть сол­неч­ной энер­гии погло­ща­ется атмо­сфе­рой, а зимой — до вос­хода и после заката.

Типичный день в сен­тябре

В такой ситу­а­ции напря­мую исполь­зо­вать сол­неч­ную энер­гию во время доения можно лишь частично. Необхо­димы акку­му­ля­торы, кото­рые будут накап­ли­вать «лишнюю» энер­гию от сол­неч­ных пане­лей в тече­ние дня и отда­вать её во время доения.

Молочное про­из­вод­ство тре­бует стро­гого соблю­де­ния сани­тар­ных норм, вклю­чая неза­мед­ли­тель­ное охла­жде­ние молока после доения. Поэтому вместе с доиль­ным аппа­ра­том рабо­тает ком­прес­сор системы охла­жде­ния и другое обо­ру­до­ва­ние.

Ванна для охла­жде­ния молока

На ферме 60 коров, доение про­ис­хо­дит груп­пами и зани­мает более пяти часов каждый день. Средняя потреб­ля­е­мая мощ­ность в про­цессе доения состав­ляет около 5 kW. Важно учи­ты­вать, что это так назы­ва­е­мая «актив­ная» (полез­ная) мощ­ность, а при работе асин­хрон­ных элек­тро­мо­то­ров (насосы, ком­прес­соры) из-за сдвига фаз между током и напря­же­нием воз­ни­кает ещё и «реак­тив­ная» мощ­ность, кото­рая не совер­шает полез­ную работу.

«Полная» мощ­ность в цепях пере­мен­ного тока изме­ря­ется в «вольт-ампе­рах» и состоит из «актив­ной» и «реак­тив­ной» ком­по­нент. В зави­си­мо­сти от коэф­фи­ци­ента мощ­но­сти элек­тро­дви­га­те­лей, 5 kW актив­ной мощ­но­сти могут озна­чать около 6 kV·A полной мощ­но­сти. В сетях посто­ян­ного тока (акку­му­ля­торы, сол­неч­ные модули) реак­тив­ная мощ­ность не воз­ни­кает: вся мощ­ность явля­ется актив­ной.

Поэтому для того, чтобы инвер­тор мог выдать необ­хо­ди­мые для работы доиль­ного обо­ру­до­ва­ния 5 kW актив­ной мощ­но­сти, из акку­му­ля­то­ров он должен взять около 6 kW, а с учётом потерь и потреб­ле­ния самого инвер­тора — более 6.5 kW. Ёмкость акку­му­ля­тор­ных бата­рей в таких ситу­а­циях должна рас­счи­ты­ваться с запа­сом.

Если пред­по­ло­жить, что бата­реи будут отда­вать мощ­ность 6.5 kW в тече­ние 2.5 часов, то расход энер­гии соста­вит более 16 kW·h. Батареи явля­ются самой доро­гой частью авто­ном­ной сол­неч­ной элек­тро­стан­ции, поэтому было при­нято реше­ние для начала сде­лать неболь­шую систему. Это поз­во­лит сокра­тить про­дол­жи­тель­ность работы дизель­ного гене­ра­тора и собрать подроб­ную ста­ти­стику.

Солнеч­ная элек­тро­стан­ция

Мы уста­но­вили 32 фото­воль­та­и­че­ских модуля Risen по 330 ватт. Пиковая мощ­ность сол­неч­ных пане­лей таким обра­зом соста­вила 10.56 kWp. Двенадцать моду­лей мы смон­ти­ро­вали на юго-восточ­ном скате крыши, два­дцать — на юго-запад­ном.

Солнеч­ные модули Risen

Для сохра­не­ния сол­неч­ной энер­гии мы исполь­зо­вали восемь 12-воль­то­вых AGM акку­му­ля­то­ров Victron Energy серии Super Cycle ёмко­стью по 230 A·h каждый. При допу­сти­мой для этих бата­рей глу­бине раз­ряда 80%, полез­ный запас энер­гии состав­ляет 17.6 kW·h.

Заряд акку­му­ля­то­ров осу­ществ­ля­ется с помо­щью двух сол­неч­ных MPPT кон­трол­ле­ров Victron Energy общей мощ­но­стью 9.24 kW.

Большая часть обо­ру­до­ва­ния на ферме — трёх­фаз­ная. Для пре­об­ра­зо­ва­ния посто­ян­ного тока от кон­трол­ле­ров и акку­му­ля­то­ров в пере­мен­ный, мы уста­но­вили три инвер­тора Victron Energy MultiPlus-II, по одному на каждую фазу. Общая мощ­ность инвер­то­ров состав­ляет 12 kW или 15 kV·A.

Инверторы Victron Energy

Дизель­ный гене­ра­тор мы под­клю­чили к сол­неч­ной элек­тро­стан­ции и настро­или таким обра­зом, чтобы он авто­ма­ти­че­ски вклю­чался при низком уровне заряда акку­му­ля­то­ров.

Автома­ти­че­ский запуск гене­ра­тора

Во время работы гене­ра­тор не только обес­пе­чи­вает энер­гией обо­ру­до­ва­ние коров­ника, но и заря­жает акку­му­ля­торы, после чего авто­ма­ти­че­ски выклю­ча­ется. Контро­ли­ро­вать работу гене­ра­тора и менять настройки его запуска можно дистан­ци­онно с теле­фона или ком­пью­тера.

Теперь коров­ник и дом фер­ме­ров обес­пе­чены элек­три­че­ством круг­ло­су­точно. Большую часть вре­мени — в полной тишине. Расход топ­лива зна­чи­тельно сни­зился. Автома­ти­че­ски соби­ра­ется дета­ли­зи­ро­ван­ная ста­ти­стика про­из­вод­ства и потреб­ле­ния энер­гии, а также всех тех­ни­че­ских пара­мет­ров сол­неч­ной элек­тро­стан­ции.

Update 21.12.2020

Система была вве­дена в экс­плу­а­та­цию 31 июля 2020 года. Сейчас, в день зим­него солн­це­сто­я­ния, мы решили под­ве­сти итоги работы элек­тро­стан­ции за четыре полных месяца: август, сен­тябрь, октябрь и ноябрь.

VRM-Portal поз­во­ляет наблю­дать работу элек­тро­стан­ции в реаль­ном вре­мени, а также ана­ли­зи­ро­вать ста­ти­стику раз­лич­ных пара­мет­ров с дета­ли­за­цией по мину­там, часам, дням, неде­лям или меся­цам. Например, на этом гра­фике мы видим общее потреб­ле­ние по меся­цам с раз­де­ле­нием источ­ни­ков энер­гии: гене­ра­тор, бата­реи и сол­неч­ные модули.

Жёлтым цветом на гра­фике пока­зано прямое потреб­ле­ние сол­неч­ной энер­гии в свет­лое время суток. Зелёный цвет — прямое потреб­ле­ние энер­гии от гене­ра­тора во время его работы. Синий цвет — потреб­ле­ние энер­гии из акку­му­ля­то­ров, кото­рые, в свою оче­редь, заря­жа­ются как от солнца, так и от гене­ра­тора.

Для нас важно оце­нить общий вклад фото­воль­та­и­че­ской системы в работу коров­ника. Это можно сде­лать срав­ни­вая раз­лич­ные гра­фики на пор­тале, но для более глу­бо­кого ана­лиза лучше ска­чать данные в фор­мате элек­трон­ных таблиц.

Итак, сово­куп­ное про­из­вод­ство элек­три­че­ской энер­гии за этот период соста­вило 6 637 kW·h. Из них 3 204 kW·h (48 %) были полу­чены от фото­воль­та­и­че­ской системы, 3 433 kW·h (52 %) — от дизель­ного гене­ра­тора.

Потреб­ле­ние фермы за эти месяцы соста­вило 4 979 kW·h, то есть 75 % от всей про­из­ве­дён­ной энер­гии. Осталь­ное — это есте­ствен­ные потери в про­цессе заряда-раз­ряда акку­му­ля­то­ров и реак­тив­ная энер­гия.

Мы ожи­даем, что в сред­нем за год сол­неч­ная элек­тро­стан­ция обес­пе­чит около поло­вины всего потреб­ле­ния. Систему можно уве­ли­чить, но на наш взгляд, сна­чала необ­хо­димо опти­ми­зи­ро­вать энер­го­по­треб­ле­ние фермы. Например, акку­му­ли­ро­вать холод в тече­ние дня, исполь­зуя для этого избы­точ­ную сол­неч­ную энер­гию, чтобы во время доения не вклю­чать ком­прес­сор системы охла­жде­ния.

Ice bank for milk cooling

Иногда на живот­но­вод­че­ских фермах для про­из­вод­ства элек­тро­энер­гии исполь­зуют био­га­зо­вые уста­новки. Это доро­гие и слож­ные системы, тре­бу­ю­щие осо­бого вни­ма­ния при экс­плу­а­та­ции. Мы не явля­емся поклон­ни­ками подоб­ных реше­ний и не любим что-либо сжи­гать для полу­че­ния элек­три­че­ства.

В сле­ду­ю­щем году, собрав больше ста­ти­стики, мы пла­ни­руем опти­ми­зи­ро­вать и рас­ши­рить систему, чтобы свести уча­стие дизель­ного гене­ра­тора к мини­муму. Будем нара­щи­вать мощ­ность сол­неч­ных пане­лей и ёмкость акку­му­ля­тор­ных бата­рей. Возможно, допол­ни­тельно мы уста­но­вим неболь­шой вет­ро­ге­не­ра­тор.