Накопитель для молочной фермы: дойка и охлаждение молока не ждут
На молочной ферме отключение опасно не темнотой, а графиком: коров нужно подоить вовремя, а молоко сразу охладить. Накопитель здесь решает три задачи: держит доильный зал и охладитель, пока запускается генератор, позволяет закончить начатую дойку без него и срезает суточные пики, которые совпадают с дойками. Полностью заменить генератор на ферме он не может: при отключении на сутки нужен источник с топливом.
Что на ферме нельзя останавливать
На ферме почти всё работает от электричества, но критичность у нагрузок разная. Сортировка по тому, сколько каждая терпит без питания, — первый шаг расчёта.
| Нагрузка | Что происходит при остановке | Сколько терпит |
|---|---|---|
| Доильная установка: вакуумные и молочные насосы, пульсаторы, управление | Дойка обрывается, коровы стоят недоенными | Минуты. Задержка дойки на часы — риск для здоровья вымени и потеря надоя |
| Охладитель молока | Молоко остаётся тёплым, качество падает, партию могут не принять | Охлаждение должно начинаться сразу после дойки |
| Доильные роботы | Останавливаются посреди цикла, требуют перезапуска | Перерывов не терпят: работают круглосуточно |
| Поение: скважинные и подкачивающие насосы | Коровы без воды | Часы, в жару меньше |
| Вентиляция | Перегрев животных летом, накопление газов | В жару — недолго, зимой дольше |
| Навозоудаление, раздача кормов, освещение | Работы сдвигаются | Несколько часов |
| Нагрев воды для промывки | Промывку оборудования приходится отложить | До конца дойки; пропускать промывку нельзя |
Требования к сырому молоку жёсткие: после дойки его нужно быстро охладить до нескольких градусов выше нуля. Точные температуры и сроки записаны в технологической документации хозяйства и в договоре с переработчиком — от них и зависит, сколько времени есть в запасе.
Сколько энергии забирает охлаждение молока
Эту величину можно посчитать из физики. 1000 литров молока — около 1030 кг. Удельная теплоёмкость молока — примерно 3,9 кДж на килограмм на градус, или 1,08 Вт·ч. Чтобы охладить его с 35 до 4 °C, нужно отвести 1030 × 31 × 1,08 ≈ 34,5 кВт·ч тепла.
Холодильная установка тратит на это меньше электроэнергии, чем отводит тепла. Если принять холодильный коэффициент 2,5–3 (точное значение — в паспорте охладителя, и в жару оно ниже), получится 34,5 ÷ 3 … 34,5 ÷ 2,5 — от 11,5 до 14 кВт·ч на тысячу литров.
Отсюда видно, почему работает предварительное охлаждение. Пластинчатый теплообменник, через который молоко идёт навстречу холодной воде из скважины, снижает его температуру, условно, до 19 °C ещё до танка. Холодильной машине остаётся 15 градусов вместо 31: 1030 × 15 × 1,08 ≈ 16,7 кВт·ч тепла, или 5,6–6,7 кВт·ч электричества. Расход падает вдвое, а подогретая вода идёт на поение.
Сначала — дешёвые меры
Предварительный охладитель, использование тепла от конденсатора холодильной машины для подогрева воды на промывку и охладитель с намораживанием льда в ночные часы уменьшают и расход, и пик. Аккумулятор холода — тоже накопитель, только заметно дешевле литиевого. Электрический накопитель считают после этих мер, а не вместо них.
Профиль нагрузки: пики во время доек
У фермы характерный суточный график: ровный фон и два или три пика — по числу доек. Возьмём условный пример с двумя дойками, утром и вечером, по два с половиной часа.
- Во время дойки работают вакуумные насосы (7,5 кВт), молочные насосы и управление (2 кВт), компрессор охладителя (10 кВт), вентиляция (5 кВт), освещение (3 кВт), водоснабжение (3 кВт). Пик — около 30 кВт, средняя за дойку — около 25 кВт.
- После дойки включается нагрев воды для промывки — ещё 6 кВт, если он не разнесён по времени.
- Между дойками остаются вентиляция, поение, поддержание холода, освещение: 8–10 кВт.
Суточное потребление такой фермы: 25 кВт × 5 ч + 9 кВт × 19 ч ≈ 300 кВт·ч. Цифры условные, но соотношение типичное: пик втрое выше фона, и вечерняя дойка приходится на часы, когда нагрузка высока и в энергосистеме. Если хозяйство рассчитывается по двухставочному тарифу с платой за мощность, именно дойка задаёт расчётный максимум.
Три сценария для накопителя
| Сценарий | Что делает накопитель | Мощность | Расчёт ёмкости |
|---|---|---|---|
| Мост до генератора | Держит дойку и охлаждение 15–30 минут, пока генератор запускается и принимает нагрузку | 30 кВт | 30 кВт × 0,5 ч = 15 кВт·ч, с глубиной разряда и потерями — 15 ÷ 0,837 ≈ 18 кВт·ч. На практике больше: батарея должна выдать 30 кВт по току |
| Дойка без генератора | Позволяет закончить начатую дойку и охладить молоко | 30 кВт | 25 кВт × 2,5 ч = 62,5 кВт·ч; 62,5 ÷ 0,837 ≈ 75 кВт·ч |
| Срез пика и резерв | Каждый день снимает 10 кВт с пика дойки и держит неприкосновенный запас на случай аварии | 30 кВт | На срез: 10 кВт × 2,5 ч ÷ 0,837 ≈ 30 кВт·ч; плюс запас 18 кВт·ч — около 50 кВт·ч |
Коэффициент 0,837 — это произведение рабочей глубины разряда 0,9 и КПД преобразования 0,93; в расчёте под конкретную систему его уточняют по паспорту.
В первом сценарии ёмкость определяется не энергией, а током: чтобы отдать 30 кВт, батарее с допустимым разрядом 0,5C нужно 60 кВт·ч, с разрядом 1C — 30 кВт·ч. Поэтому «мост» и «дойка без генератора» на практике оказываются близки по составу оборудования, и разумнее сразу считать второй сценарий.
Третий сценарий — единственный, где накопитель работает каждый день, а не ждёт аварии. Неприкосновенный запас задаётся в настройках как уровень заряда, ниже которого батарея в обычном режиме не разряжается. Окупится ли срез пика, зависит от вида тарифа и от того, как в договоре определяется расчётная мощность; набор исходных данных описан в статье про ТЭО накопителя.
Генератор остаётся
Суточные 300 кВт·ч из примера — это объём, который накопителем резервировать неразумно: батарея такого размера простаивала бы годами. При обрыве линии после бури ферме нужен генератор с запасом топлива.
Накопитель делает генератор удобнее. Питание не прерывается на время пуска — для доильных роботов и электроники управления это принципиально. Генератор можно взять меньшей мощности, потому что пуски двигателей и короткие пики берёт батарея. И запускать его можно не при каждом миганье сети, а только когда заряд опустился до порога. Настройка связки описана в статье про накопитель и генератор.
Связка с крышной СЭС коровника
Кровля коровника — большая площадь, часто с удачным уклоном. На киловатт панелей нужно примерно 5–5,5 м², так что скат площадью 1000 м² вмещает до 180–200 кВт; ограничением обычно становится не крыша, а потребление и условия подключения.
Без накопителя выработка и потребление совпадают частично. Солнце даёт максимум в середине дня, когда на ферме фон 8–10 кВт; летом к нему добавляются вентиляция и охлаждение, и это совпадение удачное. Дойки приходятся на раннее утро и вечер, когда панели дают мало. Накопитель переносит дневные излишки на вечернюю дойку: из 62,5 кВт·ч, которые она требует в примере, значительную часть летом может дать батарея, заряженная днём.
Зимой солнца мало, и в декабре система работает как резерв и срез пиков от сети. Особенности станций в сельском хозяйстве разобраны в материале про солнечную электростанцию для фермы. До монтажа кровлю проверяют на несущую способность: старые покрытия коровников на дополнительный вес рассчитаны не всегда.
Где ставить оборудование
Воздух коровника — худшая среда для электроники: аммиак, высокая влажность, пыль от кормов и подстилки, мойка под давлением. Аммиак разрушает медь и контакты даже в корпусе с высокой степенью защиты, потому что корпус дышит.
- Инвертор и батарею ставят в отдельном чистом сухом помещении — электрощитовой, пристройке или блок-контейнере — с температурой в рабочем окне батареи круглый год.
- Степень защиты корпуса выбирают с запасом; что означают цифры и чего они не обещают, описано в статье про IP20, IP55 и IP65.
- Кабели защищают от грызунов: трубы, металлорукав, закрытые лотки.
- Для мощностей в десятки киловатт используют шкафные системы — они описаны в разделе промышленных накопителей.
Частые вопросы
Можно ли обойтись накопителем без генератора?
Для отключений на час-два — да, если ёмкость рассчитана на дойку. Для аварии на сутки — нет: суточное потребление фермы в разы больше разумной ёмкости батареи.
Подойдёт ли домашняя система для небольшого хозяйства?
Для семейной фермы с доильным аппаратом на киловатт-два и небольшим танком — да: трёхфазный гибридный инвертор на 10–12 кВт и батарея 10–20 кВт·ч. Трёхфазный нужен потому, что вакуумные насосы и компрессоры обычно трёхфазные.
Что резервировать в первую очередь, если денег хватает на малое?
Управление доильной установкой, вакуумный насос и охладитель. Вентиляцию и поение — во вторую очередь, нагрев воды и навозоудаление можно отложить до возвращения сети или запуска генератора.
Окупится ли накопитель только срезом пиков?
Заранее сказать нельзя. Пик дойки длится часы, значит, срезать его можно только большой ёмкостью. Считать нужно по получасовому графику нагрузки и по своему договору, и сначала оценить дешёвые меры: предварительный охладитель и аккумулятор холода.
Короткий вывод
На молочной ферме накопитель — не замена генератору, а то, что закрывает его слабое место: паузу при пуске и работу на коротких отключениях. Ёмкость считают от дойки: мощность доильного зала с охладителем, умноженная на время, которое нужно, чтобы закончить и охладить молоко. В условном примере это 30 кВт и около 75 кВт·ч. Крышная станция на коровнике и срез пиков заставляют ту же батарею работать ежедневно, но до них стоит сделать простое — предварительное охлаждение и перенос нагрева воды с пика. А ставить оборудование нужно вне воздуха коровника.