Солнечная станция для молочной фермы: дойка, охлаждение молока и рекуперация тепла
Главная трудность молочной фермы с солнечной станцией в том, что дойка идёт утром и вечером, а панели вырабатывают больше всего в середине дня. Прямо покрыть дойку солнцем нельзя, но можно сдвинуть часть нагрузки на дневные часы: накопить холод в воде или во льду и нагреть воду для промывки. Остальное закрывает сеть или накопитель. Ниже считаем это на условной ферме.
Профиль нагрузки доильного блока
Типичная ферма делает две-три дойки в сутки. На каждую дойку включаются вакуумные насосы, молокопроводы, в конце идёт промывка оборудования горячей водой. Парное молоко сразу направляется в танк-охладитель, где его охлаждают до температуры хранения. Из этого получаются два пика: утренний и вечерний, а днём нагрузка падает до освещения, насосов навозоудаления и бытовых потребителей.
Для примера возьмём ферму, у которой потребление около 12 000 кВт·ч в месяц. Это допущение, ваш счётчик покажет точнее. Условный суточный надой возьмём 5 000 литров, тоже как допущение для расчёта.
Что можно сдвинуть под солнце
Идея простая: энергия нужна не в момент, когда она вырабатывается, а чуть позже, поэтому её сохраняют не в батарее, а в виде тепла или холода. Это почти всегда дешевле, чем электрохимический накопитель.
- Предохлаждение молока. Днём можно нарабатывать холодную воду или лёд, а при дойке пропускать молоко через пластинчатый охладитель с этой водой. Тогда компрессор танка включается на меньшую нагрузку.
- Нагрев воды для промывки. Электрический ТЭН в бойлере греет воду днём от излишков станции, а вечером горячая вода уже готова. Подходы к нагреву описаны в статье про ТЭН и бойлер от панелей.
- Освещение и вентиляция. Привязать к дню проще всего то, что не жёстко связано с доением.
Посчитаем, сколько энергии реально сдвигается.
Горячая вода. Для промывки возьмём 300 литров, нагрев с 10 до 60 °C, то есть на 50 °C. Энергия: 300 × 50 × 1,163 Вт·ч ≈ 17,4 кВт·ч в сутки (коэффициент 1,163 Вт·ч на литр на градус). За месяц это около 520 кВт·ч.
Охлаждение молока. Молоко надо охладить примерно с 35 до 4 °C, то есть на 31 °C. Теплоёмкость молока около 1,08 Вт·ч на килограмм на градус. Тепло для отвода: 5 000 × 1,08 × 31 ≈ 167 кВт·ч (тепловых) в сутки. Компрессору хватает намного меньше электроэнергии: при холодильном коэффициенте порядка 3 это около 56 кВт·ч электричества в сутки. Коэффициент зависит от оборудования, поэтому в расчёте на ферму берут паспортное значение. Допустим, половину охлаждения удалось перенести на день через ледяную воду, это около 28 кВт·ч электричества в сутки.
Для справки, лёд накапливает тепло плавления: 1 кг льда поглощает около 0,093 кВт·ч (334 кДж). Чтобы запасти 83 кВт·ч холода (половина от 167), нужно около 900 кг льда. Это ёмкость порядка одного кубометра, то есть вполне реальная для фермы.
Итого сдвигается около 45 кВт·ч в сутки, то есть примерно 1 350 кВт·ч в месяц из 12 000. Немного по доле, но достаточно, чтобы поднять долю дневного потребления.
Выработка станции 100 кВт
Данные PVGIS по двум городам из нашего калькулятора, станция 100 кВт, кВт·ч за месяц:
| Месяц | Воронеж | Казань |
|---|---|---|
| Март | 9 800 | 11 720 |
| Апрель | 11 390 | 13 590 |
| Май | 13 720 | 14 930 |
| Июль | 13 960 | 14 160 |
| Сентябрь | 10 730 | 9 220 |
| Декабрь | 2 780 | 1 920 |
| За год | 111 050 | 110 880 |
Расчёт: например, для Воронежа в июле 139,6 кВт·ч с 1 кВт, умноженные на 100 кВт, дают 13 960. Годовые цифры у городов почти совпадают, хотя в Казани лето чуть сильнее, а зима слабее.
Но выработка 100 кВт при потреблении 12 000 кВт·ч в месяц — это почти полное совпадение по месячной энергии, а по часам совпадения нет. Если без сдвига нагрузки днём потребляется около 45 % (5 400 кВт·ч), то остальное станция отдаст в сеть. После сдвига доля дневного потребления вырастает, скажем, до 70 % (8 400 кВт·ч). Поэтому на такой ферме я бы советовал начинать со станции 40–50 кВт и наращивать, когда понятен реальный график.
Экономика на ориентире цены
Возьмём ориентир 9,5 руб./кВт·ч без НДС (ориентир, точная цена в договоре). Для станции 40 кВт в Воронеже годовая выработка 44 400 кВт·ч, при потреблении 8 400 кВт·ч в месяц она вся потребляется на ферме: 44 400 × 9,5 ≈ 422 000 руб. в год. По ориентиру 60 000 руб. за 1 кВт станция стоит около 2,4 млн руб., и простой срок возврата получается около 5,7 года. Для станции 100 кВт ограничение 8 400 кВт·ч в месяц оставляет в использовании 82 640 кВт·ч в год, это около 785 000 руб., при стоимости 6 млн руб. — около 7,6 года. Видно, что большая станция окупается хуже: излишки приходится отдавать по цене ниже розничной. Про излишки и пределы мощности подробнее в статье про микрогенерацию до 150 кВт.
Резерв: дойка не ждёт
При отключении коров нельзя не доить, а молоко нельзя оставлять без охлаждения. Рассчитаем накопитель на 2 часа для критичных потребителей: вакуумные насосы 7,5 кВт, компрессор охлаждения 7,5 кВт, промывка, свет и насосы вместе 3 кВт — итого 18 кВт. За 2 часа: 18 × 2 = 36 кВт·ч. С глубиной разряда 90 % и КПД инвертора 93 %: 36 ÷ (0,9 × 0,93) ≈ 43 кВт·ч, то есть батарея порядка 45 кВт·ч. Важно проверить инвертор по пусковому току вакуумных насосов и компрессора: у моторов он в несколько раз выше номинала. Принципы выбора — в статье про срезание пиков мощности накопителем и в разделе промышленных систем накопления.
Таблица: процесс, время суток, можно ли сдвинуть
| Процесс | Когда идёт | Можно ли сдвинуть под солнце |
|---|---|---|
| Вакуумные насосы дойки | Утро и вечер | Нет, привязаны к дойке |
| Охлаждение молока в танке | Сразу после дойки | Частично: предохлаждение льдом или водой, нарабатываемыми днём |
| Нагрев воды для промывки | После дойки | Да, ТЭН греет днём, бойлер хранит |
| Навозоудаление | По графику | Да, переносится на день |
| Освещение и вентиляция | Круглые сутки | Днём покрывается солнцем, остальное сеть |
Требования к хранению и охлаждению молока определяются технологией хозяйства и документами на оборудование. Эти параметры в расчёте не меняют, мы лишь переносим во времени выработку холода.
Частые вопросы
Нужен ли накопитель, если есть генератор?
Генератор запускается не мгновенно, а доение и охлаждение лучше не прерывать. Накопитель держит ферму первые минуты и часы, генератор берёт на себя долгие отключения.
Можно ли использовать тепло от компрессора?
Да, рекуперация тепла от холодильной машины греет воду для промывки. Это отдельная установка, и её эффект зависит от оборудования: уточняйте по паспорту охладителя.
Станция 100 кВт слишком большая?
Для нагрузки 12 000 кВт·ч в месяц и привычного графика — скорее да. Выбирайте по реальной кривой потребления, не по годовой сумме.
Где посчитать свой вариант?
Оставьте заявку на расчёт с данными счётчика или оцените выработку в калькуляторе.