Проектирование системы для теплиц на основе СЭС и теплового насоса
Предложенный турецкими учеными проект системы состоит в объединении солнечной электростанции на крыше с тепловым насосом с наземным источником тепла в теплице, используемой для выращивания помидоров, огурцов и салата. Солнечная электростанция работает в режиме нетто-учета, а электричество из сети используется, когда фотоэлектрическая генерация не может покрыть спрос. Согласно полученным результатам, срок окупаемости системы составляет от 2,6 до 7 лет.
Ученые из Университета Яшар в Турции разработали концепцию дизайна теплиц, в которых в качестве источника электроэнергии для светодиодного освещения используется фотоэлектрическая энергия, а для отопления и охлаждения — тепловой насос.
«Первоначально мы разработали систему в 2017 году, и в то время срок окупаемости системы составлял 5,7 лет», — сказал исследователь Левент Билир. «Я не уверен, что сегодня срок окупаемости короче, чем в 2017 году, поскольку цены на энергию растут».
Гибридная система была смоделирована с учетом теплицы размером 5 x 30 м и площадью 150 м2, использования 66 ориентированных на юг солнечных панелей мощностью 200 Вт каждая, покрывающих 50% крыши теплицы, и установки теплового насоса с наземным источником тепла, который представляет собой разновидность теплового насоса, который может использоваться как для отопления, так и для охлаждения. Выбранное место — город Измир на западе Турции, где базовая температура составляет 25 градусов Цельсия, а солнечная радиация — 1 367 Вт/м2.
Максимальные значения эффективности массива за год составили от 14,17% до 16,14%, при этом угол наклона крыши составил 38,4 градуса. Панели были размещены на крыше, создав зазор между рядами модулей, чтобы более равномерное солнечное излучение попадало внутрь теплицы, которая сделана из алюминиевых рам и двойного стекла с 13-миллиметровой воздушной прослойкой. Когда фотоэлектрическая система производит больше энергии, чем необходимо для теплицы, излишки поступают в сеть. Аналогичным образом, когда мощности не хватает, электроэнергия берется из сети.
Исследовательская группа оценила общую эффективность предложенной конструкции теплицы, рассмотрев выращивание томатов, огурцов и салата-латука, для которых требуются различные температуры в помещении — 28, 36 и 24 градуса Цельсия соответственно. Поскольку нагрузка на охлаждение систем чрезвычайно высока, выращивание прекращается в июле и августе. Теплица обогревается или охлаждается 24 ч/день с помощью теплового насоса.
Ученые рассчитали нагрузку на отопление, охлаждение и освещение, а также месячную и годовую потребность в электроэнергии с учетом значений коэффициента полезного действия (COP) при отоплении и охлаждении. Кроме того, они рассчитали месячные и годовые значения коэффициента покрытия для каждой культуры и затраты на фотоэлектрическую систему и тепловой насос, а также затраты на страхование, эксплуатацию и обслуживание.
Их анализ показал, что в летние месяцы эксплуатации, а это май, июнь и сентябрь, фотоэлектрическая система способна покрыть спрос на электроэнергию с коэффициентом покрытия от 33,2 до 67,2%, что они объясняют тем, что мощность, необходимая для удовлетворения нагрузки охлаждения при выращивании всех культур, очень высока. «Однако в зимние месяцы эксплуатации встречаются более высокие значения коэффициента покрытия», — подчеркнула исследовательская группа. «Коэффициент покрытия при выращивании томатов колеблется от минимального значения 67,4% в декабре до максимального 522,3% в октябре, а при выращивании огурцов минимальный коэффициент покрытия 37,6% наблюдается в декабре, а максимальный 185,3% — в октябре».
Экономический анализ собранных данных показал, что срок окупаемости при выращивании томатов составляет 7,2 года, а огурцов и салата — 7,4 и 7,0 лет соответственно. «Срок окупаемости системы по парниковым газам составил 5,7 года и 2,6 года, при производстве электроэнергии на основе природного газа и угля, соответственно.»
Забегая вперед, Билир сказал, что будущая работа должна включать более детальный анализ и рассматривать хранение энергии в качестве дополнительного варианта. «Возможно, можно будет включить различные виды возобновляемой энергии», — заключил он.