Автореферат Мамедсахатова Б.Д.

РОССИЙСКАЯ  АКАДЕМИЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ  НАУК

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

               

 

 УДК :621.383.51; 621.472

 

                    На правах рукописи

 

 

 

Мамедсахатов Бегенч Довлетович

 

 

 

ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  УСТАНОВОК И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В  ТУРКМЕНИСТАНЕ

 

 

Специальность 05.14.08 – энергоустановки на основе возобновляемых

                                                           видов энергии

 

 

 

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА — 2007

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт

электрификации сельского хозяйства

(ГНУ ВИЭСХ)

 

Научный руководитель:                       доктор технических наук, профессор,

                                                            академик Россельхозакадемии

                                                                Стребков Дмитрий Семенович

 

Официальные оппоненты:                   доктор технических наук, профессор

                                                                Рыбакова Лариса Евгеньевна

     

                                                                доктор технических наук, профессор

                                                                Полисан Андрей Андреевич

 

Ведущая организация:                     Московский энергетический институт

                                                               (технический университет)(МЭИ)

 

 

 

 

 

Защита  состоится  "____"______________ 2007  года в  _____  часов  

на заседании Диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении  Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456,     г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д.2.

 

Тел.: (495) 171-19-20

Факс: (495) 170-51-01

Email.: viesh@dol.ru

 

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в  библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

 

 

Автореферат разослан    « ___ » ______________2007 г.

 

 

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, с.н.с.                                              А.И. Некрасов

Общая характеристика работы

 

Актуальность проблемы. Одной из важных проблем человечества в ХХI веке является изменение климата. По прогнозам ученых ожидается дальнейшее повышение средней температуры воздуха по сравнению с данными прошлого столетия на 1-20 С, к 2025 году на 2-30 С, к 2050 году на 3-50 С.

Традиционная энергетика, основанная на использовании органического топлива,  наносит значительный ущерб окружающей среде. При получении энергии за счет сжигания топлива ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается 150 млн.т золы, 100 млн.т — диоксида серы, 60 млн.т — оксидов азота, 300 млн.т окислов углерода, углекислого газа и многих других веществ, которые поглощают длинноволновое излучение, идущее от поверхности Земли. Нахождение в атмосфере этих примесей длится до  120 лет (Двуокись серы – 3 дня, углекислый газ – 5 лет, фреон – 50 – 70 лет, закись азота 120 лет), а долгосрочное нахождение их может привести к нежелательным глобальным изменениям климата.

Одним из основных загрязнителей (до 50%) является энергетический комплекс, энергоносителем которого служит органическое топливо. Накопление СО2 и других газов антропогенного происхождения, вызывает «парниковый эффект», который влияет на изменение климата.

Туркменистан является  страной производителем энергоносителей (природный газ – 61,8 млрд. куб. м., нефтепродукты – 5,9 млн. т, электроэнергия более – 12,8 млрд. кВт ч). В соответствии с Национальной программой экономики Туркменистана к 2010 году значительно возрастет добыча нефти и достигнет уровня 48 млн. т, газа -120 млрд.куб.м,  электроэнергии -25,5 млрд. кВт час в год. Суммарная  мощность электростанций, работающих на природном газе,  составляет более 2652,2 МВт.

Естественно дальнейшее развитие традиционной энергетики имеет стратегическое значение. Этому будет способствовать и соглашение о строительстве Прикаспийского газопровода, которое было принято на встрече  Президента России В.В.Путина, Президента Казахстана Н.А.Назарбаева и Президента Туркменистана Г.М. Бердымухамедова  в мае 2007 года. Президенты подчеркнули важность углубления всестороннего сотрудничества в области энергетики, науки и образования.  Вместе с тем, Президент Туркменистана Г.М. Бердымухамедов дал указание  министерствам и ведомствам изучить мировой опыт по применению экологически чистых энергосберегающих технологий, основанных на использовании  возобновляемых источниках энергии – солнца и ветра, что в условиях Туркменистана является неисчерпаемым ресурсом.

Возобновляемые источники энергии за последние десятилетия получили значительное развитие в мире. Мировой солнечный фотоэлектрический рынок развивается с темпами  роста более 30 % в год, а объем производства солнечных фотоэлектрических установок составил в 2006 г. 2,4 ГВт, в 2010 г. достигнет 10.4 ГВт.

 Туркменистан имеет ряд благоприятных факторов для  использования солнечной энергии. Климату Туркменистана характерна большая продолжительность солнечного сияния: например, за год в юго-восточных районах в среднем она достигает 2800-3095 часов, или 70-75% от возможной.

В связи с этим проблема использования возобновляемых источников энергии является весьма актуальной. Внедрение солнечной энергетики в целом поможет устойчивому развитию экономики, малого бизнеса и созданию новых рабочих мест  в регионах Туркменистана и окажет содействие выполнению Национальной программы освоения пустынных территорий центральных Каракумов, Национального плана действий по охране окружающей среды, что соответствует ратифицированным Туркменистаном  Конвенции ООН об изменении климата и Конвенции по борьбе с опустыниванием.

        Учитывая вышеизложенное, были определены цели и задачи диссертационной работы.

  Цели диссертации: исследование и обоснование параметров и перспектив  использования солнечных фотоэлектрических установок (далее СФЭУ) в Туркменистане, которые смогут сыграть значительную роль и способствовать охране природы, сохранению экологии, сбережению энергоресурсов и, в конечном счете, росту экономики, улучшению социально-экономических и бытовых условий населения.         В связи с этим в диссертации решались следующие задачи:

         исследовать национальные (местные) условия, особенности страны и энергетический потенциал с целью изучения возможностей и потребностей использования солнечных энергетических установок и других возобновляемых источников энергии (далее ВИЭ) в Туркменистане;

         исследовать электрические параметры солнечных фотоэлектрических установок при неравномерном освещении;

         разработать способы изготовления солнечной энергетической установки с концентратором и оценить возможности экономии кремния  при использовании фотоэлектрической установки с концентратором;

         разработать, создать и исследовать в реальных условиях эксплуатации опытную солнечную фотоэлектрическую установку для подъема воды из колодцев пустыни Каракумы. Оценить ожидаемые технико-экономические эффекты от внедрения этой установки;

         создать для пастбищных территорий Туркменистана картограмму требуемой мощности водоподъемной станции;

         рассчитать,   составить и проанализировать таблицы сокращения выбросов парниковых газов, определить  полученную экономию органического топлива в результате использования  солнечных фотоэлектрических установок;

         обосновать перспективы развития фотоэнергетики в Туркменистане и  предложения по ее использованию.   

   Научная новизна работы:

    проведен анализ возможного потенциала использования солнечной энергии и других возобновляемых источников энергии в условиях Туркменистана;  

—  исследованы электрические параметры солнечной фотоэлектрической установки при неравномерном освещении солнечных домов и приведены их расчеты;

    разработана, создана,  солнечная фотоэлектрическая установка  нового поколения  для водоподъема воды из колодцев пустыни Каракумы и исследованы ее энергетические параметры;

— составлена для регионов Туркменистана картограмма требуемой мощности водоподъемных  станций;

    разработана новая технология изготовления солнечных энергетических установок с  осесимметричным концентратором, научная новизна работы подтверждена патентом на изобретение РФ.

Основные положения,  выносимые на защиту:

результаты исследований использования солнечной фотоэлектрической установки  для подъема воды на пастбищах в Туркменистане;

• исследование электрических параметров солнечных фотоэлектрических установок при неравномерном освещении солнечных домов;

• способ изготовления солнечной энергетической установки с     осесимметричным концентратором;

•  картограмма для внедрения и практического использования солнечных      

    водоподъемных установок на территории Туркменистана;

•  основные приоритеты,  факторы и перспективы развития  фотоэнергетики  в Туркменистане.

Достоверность результатов исследований, подтверждается  результатами испытаний, которые отражены в актах, протоколах испытаний и справкой о практическом применении.

 Практическая ценность работы. Разработанная конструкция фотоэлектрического водоподъемника подтверждает перспективное  направление в использовании фотоэлектрических установок  для водоподъема из колодцев пустыни Каракумы, что позволит, в расчете на одну установку, сократить на 12,0 т потребление ископаемого топлива, на 38,4 т выбросы СО2 , улучшить условия жизни местного населения, содействовать интенсификации производства пастбищных комплексов в год.

         Составленная картограмма даст возможность эффективно планировать использование водных ресурсов регионов, выбор водоподъемного оборудования и оценить себестоимость установки на территории Туркменистана.

         Результаты технико-экономического расчета опытной фотоэлектрической солнечной установки для подъема воды из колодцев пустыни Каракумы показывают, что совокупная прибыль, с учетом продажи квот на эмиссию парниковых газов составляет 3830 долл. США  на одну водоподъемную установку в год.

          Разработанные способы изготовления солнечной энергетической установки с концентратором позволяют снизить их себестоимость на 30%.

         Произведенный анализ и расчетный прогноз по основным требованиям к использованию солнечных фотоэлектрических установок в отраслях промышленности Туркменистана открывают дальнейшие перспективы использования  возобновляемых источников энергии и области их реализации в Туркменистане.

Рассчитана и составлена таблица сокращения выбросов парниковых газов от созданных в    Туркменистане     установок на основе возобновляемых источников энергии.

      Подготовлены рекомендации по оптимизации законодательной базы обеспечивающее перспективное развитие солнечной энергетики в Туркменистане.      

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований диссертации докладывались и обсуждались на седьмой специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (Москва, 2006 год), на научно — теоретических конференциях и семинарах Туркменского политехнического института, Туркменского института народного хозяйства, а также на научных конференциях молодых ученых Туркменистана.

 Публикации по работе. Основные положения, разработанные в диссертации, нашли свое отражение в 10 статьях, в том числе, в 4 статьях, в изданиях рекомендованных ВАК России  ( общим объемом 3.8 печ. л. ), получен 1 патент на изобретение Российской Федерации.

 Структура и объем работы. Диссертация изложена на 147    страницах (Word   текст редакторе 12 шрифт), состоит из введения и 4 глав, 26  рисунков и графиков,  49 таблиц и схем, выводов и списка литературы из 94   наименований, из них 6 иностранных авторов. Приложение располагается на 20 страницах и включает таблицы, проектные предложения, фотографии, справки и т.д.

 

Основное содержание работы

 

Во введении  обоснованы актуальность и перспективы использования солнечных фотоэлектрических установок в различных отраслях народного хозяйства Туркменистана, сформулированы цели, задачи работы и основные положения, выносимые на защиту.

  В первой главе «Современная энергетика и ресурсы возобновляемых источников энергии в Туркменистане»  рассмотрены вопросы современной энергетики Туркменистана, основные факторы воздействия топливно-энергетического комплекса на возможные изменения климата и его последствия для экосистемы и экономики, значение Национального плана действия по охране окружающей среды (НПДООС)  и его роль в развитии страны. Дан анализ современного состояния солнечной фотоэнергетики в Туркменистане и возможности уменьшения выбросов в окружающую среду.

В Туркменистане 80% площади занимает пустыня Каракумы, где проживает большое количество людей. В Центральных Каракумах из-за недостаточного количества атмосферных осадков и отсутствия поверхностных вод остро ощущается нехватка пресной питьевой воды. По данным ученых Туркменистан располагает огромными запасами водных ресурсов (около 80 км3), но на большой глубине. На этой территории имеется более 5000 колодцев и содержатся более 17 млн. голов скота

Необходимую воду для жизнедеятельности отдаленных поселков  и развития сельского хозяйства, в том числе животноводства, приходится поднимать на поверхность из артезианских скважин. Проблема энергоснабжения решается за счет использования дизельных генераторов, водоснабжения — за счет привоза воды транспортом. Доставка топлива и воды осуществляется с задержкой и влечет за собой большие расходы. Ежегодный расход топлива одного дизельного генератора составляет 14,6 тонн, при этом выбрасывается в атмосферу 46, 72 тонн СО2 – экв. Многие поселки находятся вдали от линии электропередачи. Стоимость 1 км ЛЭП составляет  18000 – 25000 долларов США.

Важнейшим средством интенсификации производства пастбищных комплексов и улучшения социально-экономических условий жизни сельских товаропроизводителей, удаленных от центральной энергосистемы, является развитие возобновляемой энергетики. При наличии ресурсов с помощью ВИЭ можно  решать локальные проблемы энергообеспечения в пустынных районах, где проживают животноводы, буровики, железнодорожники и т.д.  Результатом использования солнечной энергии будет как развитие экономики, так и улучшение экологии, что будет способствовать и освоению пустынных территорий Центральных Каракумов. На данный момент технический потенциал гелиотехники  в Туркменистане имеет эквивалент 1.4 109 т у.т.  в год, при этом сокращение выбросов  СО2 составит 3.4 Петаграмм (Пг).

Принимая во внимание состояние энергетики в Туркменистане и отрицательный характер воздействия  ее на окружающую среду, важной и актуальной проблемой является обоснование энергетических параметров и перспектив использования и развития солнечных фотоэлектрических установок в Туркменистане.

Значительный вклад в развитие возобновляемой энергетики и гелиотехнологии внесли ведущие ученые Алферов Ж.И., Баум В.А., Безруких П.П., Виссарионов В.И., Евдокимов В.М., Заддэ В.В., Ландсман А.П., Лидоренко Н.С., Мотулевич В.П., Полисан А.А., Рябиков С.В., Стребков Д.С., Тарнижевский Б.В., Тверьянович Э.В., Унишков В.А., Харченко В.В. и туркменские ученые  Базаров Б.А., Байрамов Р.Б.,  Рыбакова Л.Е., Пенджиев А.М., Тойлиев Г.Т., Хандурдыев А.Х. и многие другие.     

           В работе рассмотрен потенциал ВИЭ, возможности  экономии топлива и расчеты сокращения выбросов парниковых газов при сжигании различного вида топлива для получения тепла и электроэнергии, а также  ожидаемые эколого-экономические выгоды от использования  автономных энергетических установок на базе солнечных фотопреобразователей, позволяющие поднимать воду из колодцев глубиной 30 – 250 м и более.

         Во  ВНИИТе  НПО «Квант» и  ВИЭСХ были разработаны надежные блоки солнечных батарей и комплектующих узлов, которые могут найти практическое применение для энергоснабжения водоподъемных механизмов и чабанских юрт на пастбищах отгонного животноводства.

         В Туркменистане за последние 20 лет проделана определенная работа: разработаны и созданы опытно-промышленные установки в Туркменском отделении НПО  «Квант» и НПО  «Гун» («Солнце»).

 Существуют различные конструкции солнечных энергетических установок: гелиотеплицы (выращивание сельхозкультуры); гелиосушилки (переработка сельхозпродукции); гелиоводонагреватели (тепло-водообеспечение); гелиоопреснители (опреснение минерализованной воды); гелиоустановки для выращивания микроводорослей (хлореллы, спирулина, сцендесмуса). Представляет особый интерес автономный гелиокомплекс агропроизводственный объект, структура которого может быть различной в зависимости от природно-климатических условий.

         В условиях  рыночной экономики, высоких темпов промышленного производства и новых технологий доля имеющихся опытно-промышленных установок на основе ВИЭ крайне недостаточна. Кроме того, новые условия и задачи требуют не только самоокупаемости, усовершенствования конструкций и технологий создания таких установок, но и высокой отдачи, экономической выгоды и соответствия экологическим требованиям сегодняшнего дня.

       Во второй главе «Теоретические и экспериментальные исследования солнечных фотоэлектрических установок» приведены теоретические расчеты и исследованы электрические параметры солнечных фотоэлектрических установок при неравномерном освещении, например при создании солнечных домов, выполненных в виде полусферы или полуцилиндра.

  При установке солнечных фотоэлектрических модулей (СФМ) на неплоской поверхности мы получаем объемную конструкцию солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ), освещаемую параллельным потоком излучения с плотностью Е0. Мощность СФМ изменяется от нуля до Рмакс в зависимости от ориентации на Солнце. Электрическая мощность СФМ с последовательной коммутацией солнечных элементов (СЭ) определяется электрической мощностью наименее освещенного СЭ.

         Целью расчета является определение зависимости электрической мощности СФЭУ от размеров СФМ. Рассмотрим сферическую солнечную фотоэлектрическую установку, состоящую из модулей, соединенных параллельно (рис. 1). Каждый модуль с линейным размером ам и площадью ам2 выполнен из скоммутированных последовательно СЭ и имеет напряжение, равное рабочему напряжению СФЭУ. В частности, в качестве СФЭУ можно рассматривать совокупность СФМ на наружной поверхности солнечного дома, а также объемный датчик или преобразователь солнечного излучения.

 

Рис. 1. Модель сферической СФС

 

Рассчитаем электрическую мощность СФЭУ в зависимости от размера модуля ам при освещении потоком излучения , где Ео — энергетическая освещенность при нормальной ориентации СФМ. Предполагаем, что модули распределены равномерно на поверхности СФЭУ.

Полное число модулей на поверхности сферы радиуса  Rc

.                               (1)

Полная электрическая мощность СФС

,                       (2)

где — единичный вектор нормали к поверхности в точке A(x, y, z), лежащей на поверхности сферы:

,

где h — к.п.д. СФМ в нормальных условиях; S4 — поверхность четверти сферы.

Уравнение S4:               .

При вычислении (2) предполагаем, что:

1. Р=, где — электрическая мощность модуля;

2. Электрическая мощность n-го модуля пропорциональна потоку излучения в области минимальной освещенности

 ,

где Snм — поверхность n -го модуля, расположенного между линиями уровня равной освещенности,  Nм — число различно освещенных областей S на поверхности четверти сферы

Nм= .

Поскольку

,

min cos bn=cos max bn=cos;                        (3)

 ,

где Son – проекция Snм на плоскость y = 0.

Уравнение Son:

.

Решение (3) имеет вид:

,   b0 = 0         .        (4)

 

Если СФС состоит из одного модуля

,              Nм  £ 1,       Р=0.

Максимальная мощность соответствует случаю равномерной освещенности площади модуля. Это означает, что площадь модуля стягивается в точку,

ам  0,      Nм  ¥ ,

Рmax = pRc2hE.                                        (5)


Зависимость от отношения Rcм представлена кривой 1 на рис. 2.

 

 


 

                               Число секций на ¼ сферы,

Рис. 2. Изменение электрической мощности сферической (I) и цилиндрической СФЭУ (2) в зависимости от размеров элементарного модуля

 

Принимая размеры модулей ам1 = 3 м и aм2 = 0,6 м, получим для сферы радиуса Rc = 10 м

Nфп1 = 5;     Nфп2 = 27;   = 0,76,

т.е. СФЭУ из модулей на основе СЭ малой площади при одинаковом к.п.д. модулей будет иметь мощность на 32 % больше, чем для модулей из СЭ большой площади.

Аналогичный расчет для цилиндра дает:

=,               (11) ,               ,             b0 =0,   Рmax = 2RцНцhЕ0 .

 

Зависимость Р/Pmах от Rцм представлена на рис. 2, кривая 2. Для рассматриваемых размеров модулей и цилиндра радиуса Rц = I0 м:

 = 0,84,

т.е. использование CЭ и СФМ малой площади увеличивает мощность СФЭУ на 19 % .

 Солнечная фотоэлектрическая водоподъемная установка (СФВУ) предназначена для подъема воды из колодцев глубиной до 30м. Разработанная и созданная конструкция СФВУ проходила испытания на

Рис. 3. Схема солнечной фотоэлектрической водоподъемной установки

 

экспериментальной базе Национального института пустынь, раститель-ного и животного мира Туркменистана в местечке Каррыкуль (рис. 3,4.).

Акт ввода и протокол испытания солнечной водоподъемной установки приведены в приложении к диссертации.

Для энергопитания фотоэлектрической водоподъемной станции  использовали солнечные фотоэлектрические модули, вырабатывающие постоянный ток напряжением 12 В. Суммарная мощность солнечных элементов  составляла 300-500 Вт. Поскольку в ночное время и пасмурные дни солнечная радиация отсутствует,  в качестве дублирующего элемента был предусмотрен блок АБ, который при наличии солнечной радиации постоянно подзаряжается от солнечных СФМ.

Для водоподъема  используется насос центробежного типа, питаемый от асинхронного двигателя, работающего от сети переменного тока напряжением 220 В. Для получения такого напряжения используется инвертор — преобразующий постоянное напряжение 12 В от солнечных батарей в переменное напряжением 220 В. Мощность инвертора должна составлять не менее 500 Вт и соответствовать мощности  ВПУ.

 

 

Рис. 4. Фотография солнечной фотоэлектрической водоподъемной установки

Для сбора воды предусмотрен бассейн, который постоянно заполняется водой, подаваемый насосом из колодца. По мере заполнения бассейна, система автоматики отключает привод СФВУ. Данная компоновка солнечной водоподъемной установки позволяет полностью обеспечить водой как людей, так и животных.

Разработан способ изготовления солнечной энергетической установки с концентратором, на что получено решение о выдаче патента РФ.

Целью предлагаемой технологии  является снижение затрат при изготовлении солнечной энергетической установки с осесимметричным концентратором и обеспечение возможности изготовления солнечной энергетической установки с концентратором практически любого размера при использовании простейшего технологического оборудования и инструмента.

        Рассмотрим один  из  способов изготовления солнечной энергетической установки с концентратором. В качестве приемника используют два солнечных фотоэлектрических модуля с двухсторонней рабочей поверхностью, каждый из которых имеет размер 1,2 х 0,6 м, содержит 36 солнечных элементов, соединенных последовательно, и имеет электрическую мощность 75 Вт и напряжение 12 Вт.         Два фотоэлектрических модуля устанавливают на общем каркасе таким образом, чтобы получился квадратный приемник 17 размером 1,2 х 1,2 м с двухсторонней рабочей поверхностью. Модули соединяют параллельно для получения напряжения 12 В и пиковой мощности 150 Вт. Трубу 1 из оцинкованной стали диаметром D = 1.20 м разрезают под углом В = 67,50 к оси трубы на 3 и на 8 одинаковых трапецеидальных в плане заготовок 2, у которых малое основание 5 равно 60 мм, а большое основание 4-1000 мм.

  Рис. 5. а) направления резки труб на трапецеидальные в плане заготовки; б) сборка тороидальной заготовки; в) изготовление полутороидального концентратора

 

Рис. 5. г) общий вид солнечного фотоэлектрического модуля с осесимметричным концентратором мощностью 200 Вт

 

Соединяют полученные заготовки 2 в тороид 7 с внешним диаметром  2500 мм, внутренним диаметром отверстия 100 мм любым известным способом, например, как это обычно делается при изготовлении  внешней облицовки труб теплотрасс. Полученный тороид 7 разрезают перпендикулярно оси тороида 9 на две равные полутороидальные заготовки 10. Изготавливают две восьмиугольные рамы 7 и 8 и присоединяют полутороидальную заготовку 10 к наружной 7 и внутренний раме 8 с помощью заклепок. На внутреннюю поверхность 14 полутороидальной заготовки 10 наносят зеркальное покрытие 15, например, путем наклеивания фольги с зеркальной поверхностью и на четырех тросах 16 по углам закрепляют осесимметрично приемник 17 из двух фотоэлектрических модулей (см. рис. 5 (а,б,в)).

        На основе разработанной организацией научного обслуживания ОНО ЦОПКБ ВИЭСХ  и ОНО «Александровский  опытно-механический завод ВИЭСХ» изготовлены экспериментальные образцы солнечных энергетических установок с осесимметричными полутороидальными концентраторами.

        Общий вид СФЭУ с осесимметричным концентратором диаметром

2,5 м пиковой электрической мощностью 200 Вт показан на рис. 5 (г).

   В третьей главе «Экономическая эффективность фотоэлектрических установок, их значение для народного хозяйства и экологии Туркменистана» рассмотрены вопросы преобразования солнечной энергии в электрическую, расчеты мощности установки требуемой для водоподъема из колодцев, эффективность от внедрения СФЭУ и себестоимость ВИЭ в Туркменистане. 

Работа насосов характеризуется объемом подачи воды, высотой всасывания, напоров, мощностью и КПД, которые обычно указываются в паспортных данных завода изготовителя насоса. На территории Туркменистана имеются колодцы различной глубины и дебита. Исходя из этих данных необходимо подбирать соответствующий насос. С этой целью были проведены расчеты и построен график зависимости нагрузочной мощности насоса от напора при различных производительностях (см.  рис.6).

   Для определения мощности СФЭУ необходимо определить требуемую мощность на водоподъем для каждого колодца страны, а для этого нужны данные по глубине и дебиту всех колодцев. В работе даны  характеристика колодцев по дебиту и  глубине.

Рис. 6. Зависимость нагрузочной мощности насоса от напора воды  при различных производительностях

 

   Большинство колодцев на пустынных пастбищах Туркменистана являются малодебитными, неглубокими. Так, 40% всех колодцев имеет дебит менее 0.1 л/сек, 30% — менее 0.2 л/сек. Следует отметить, что из-за ограниченности запасов влаги в водоносном горизонте даже колодцы современного инженерного типа имеют незначительный дебит. Колодцы с глубиной менее 40 м составляет 77% Вместе с тем имеются глубокие и очень глубокие колодцы (до 300 м). По дебиту и глубине колодца можно определить мощность, необходимую для подъема воды из колодцев.

Результаты проведенного анализа распределения общей численности колодцев по уровню мощности на водоподъем для каждого района Туркменистана представлены в таблицах  диссертации. Расчеты  иллюстрируются гистограммами и таблицами для подавляющего числа колодцев в Туркменистане (60.8%). Полезная мощность СФЭУ на водоподъем не превышает 80 Вт, хотя в некоторых случаях мощность достигает величины до 6 кВт.

Составленная карта пастбищной территории Туркменистана по требуемой мощности на водоподъем из колодцев представлена на рис. 6. Из этой карты видно, что для большей части территории страны характерны минимальные уровни мощности. Так, 85% колодцев на пастбищах Северо-Западной части Туркменистана (Туркменбашинском районе, Центральных Каракумов, правобережья Амударьи требуют менее 80 Вт полезной мощности на водоподъем. Для колодцев  Заунгузских Каракумов и особенно Юго-Восточной части страны характерно существенное повышение требуемого уровня мощности до 1 кВт и более. Отсутствие точных географических координат по большинству колодцев делает невозможным какой — либо другой способ определения  мощности, кроме как отнесение полученных  данных ко всей территории данного рассматриваемого района в его административных границах.

 

Рис.7. Карта, размещения СФЭУ по мощности вырабатываемой энергии на   пастбищных  территориях Туркменистана

Несмотря на указанные недостатки, карта дает общее качественное представление о величинах мощности, требуемой для подъема воды из колодцев, что необходимо при выборе и заказе водоподъемного и энергетического оборудования для механизации водоподъема. Располагая сведениями  об уровнях необходимой полезной мощности, полученными из таблиц, выбрав с учетом глубины и дебита колодца и тип водоподъемного механизма, составляем распределение мощности СФЭУ для всех имеющихся колодцев в стране. Таким образом, полученные данные представляют непосредственный интерес для проектировщиков автономных солнечных фотоэлектрических водоподъемных установок.

Поскольку СФЭУ работают не круглосуточно, в качестве дублирующих элементов необходимо предусмотреть аккумуляторные батареи, которые в дневное время будут подзаряжаться от фотоэлементов.

  

Таблица 1.

Сравнительный финансовый, экономический и экологический анализ работы дизельного генератора и СФЭУ в расчете на 1 и 30 энергетических установок

 


Наименование

Дизельный генератор

                    СФЭУ

Показатели

1 шт.

За 10 лет

от 30 шт.

1 шт.

За 10 лет

 от 30 шт.

Выбросы углекислого

газа   (т СО2/год)

 

46,72

 

14016

 

8,32    

 

2496

Потребление

дизтоплива в год, т

 

14,6

 

4380

 

2,6

 

780

Сокращение

выбросов (т СО2/год)

 

46,7

 

14016

 

38,4

 

11520

Доходы от

топлива ($US)

 

 

 

 

3600

 

1080000

Экономия топлива (т)

 

12

3600

Продажа квот на

    эмиссию 

( 1 т СО2 за 6 $US)

230,4

69120

Итого доход

($US)

3830

1149120

Расход

 ($US)

4840

1452000

1073,3

322000

Чистый поток

наличности ($US)

 

 

 

2757,1

 

827120

         

 

Следует отметить, что СФЭУ не загрязняют окружающую среду, они имеют довольно большой срок службы (не менее 15-20 лет) и высокую надежность, практически отсутствуют эксплуатационные расходы и, что важно, не требуется высококвалифицированного персонала и ремонтной базы при их обслуживании. Основным видом обслуживания является сезонная азимутальная корректировка фотоэлементов для более эффективной их работы и периодическая их протирка от пыли.

Предварительные результаты сравнительных  расчетов финансовых, экономических и экологических показателей работы дизельного генератора и СФЭУ на 1 и 30 шт. установок в течение 10 лет приведены в таблице 1.

В четвертой главе «Перспективы развития солнечной фотоэнергетики в Туркменистане» рассматриваются приоритеты, перспективы ВИЭ и развития солнечной фотоэнергетики в Туркменистане до 2030 года. Охарактеризованы средний уровень фотоэнергетических ресурсов Туркменистана, перспективы строительства автономных солнечных станций и завода по выпуску солнечных модулей в Туркменистане. В будущем на территории Туркменистана, где 80% занимает пустыня, прежде всего необходимо рассматривать вопросы автономных солнечных электростанций. Речь идет не только об отгонном животноводстве, но и о социально-бытовых условиях чабанов, жителей малых населенных пунктов и т.д.

       В развитии фотоэнергетики в Туркменистане значительная роль принадлежит начатому уже строительству завода по выпуску солнечных элементов и модулей.

   Потребность солнечных модулей по отраслям промышленности, а также технико — экономические показатели солнечных энергетических установок, планируемых к выпуску заводом, представлены в табл. 4.14 в диссертационной работе. Предполагаемая сметная стоимость строительства завода по производству солнечных энергетических установок в г. Ашхабаде составит 8380,8 млн. долл. США. Требуемая численность промышленно-производственного персонала составит 116 чел., в том числе: ИТР – 20, рабочие – 96 чел. Обучение персонала входит в общую стоимость.

     Первоначальный вариант проектно-сметной документации завода в свое время был подготовлен Туркменским отделением НПО «Квант», возглавляемый профессором Базаровым Б.А. Строительство завода было начато в конце 80-х годов. В связи с распадом СССР и возникшими трудностями в финансировании в период рыночной экономики строительство завода было приостановлено. Однако, учитывая растущие потребности электроэнергии в отдаленных районах Туркменистана и развитие производительных сил в Каракумах  нами составлен прогноз потребности в СФЭУ до 2030 года.

    Таблица 2.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения продукции завода по производству солнечных энергетических установок в народное хозяйство Туркменистана в 2012 году

 

п/п

Наименование продукции

Ед.

изме-

рения шт.

Экономия

органического

топлива от внедрения продукции, т у.т.

Ожидаемый экономический

эффект от внедрения продукции

На

единицу

изделия, 10-4

На

 общее

кол-во 

изделий

 в год,

 

На

единицу

изделия,

 долл. США

На общее кол-во

произведенных

изделий в год,

тыс.долл. США

 

1

Батареи солнечные 2 Вт

100000

7,38

73,8

1,2

120,0

2

 Солнечные модули  40 Вт

1250

147,6

18,5

24,0

30,0

3

СФЭУ  300 Вт

1667

1107,0

184,5

180,0

300,06

4

СФЭУ 1000 Вт

500

3690,0

184,5

600,0

300,0

5

СФЭУ 2500 Вт

160

9225,0

147,6

1500,0

240,0

6

СФЭУ 10 кВт для комплектования

станций большой

 мощности

35

36900,0

129,2

6000,0

210,0

 

Итого

 

 

738,1

 

1200,06

 

  Создание завода по производству СФЭУ позволит:

— ежегодно, начиная с 2012 года, оснащать солнечными водоподъемными комплексами 1667 колодцев из 5200 действующих на отгонных пастбищах страны и, таким образом, удовлетворить около 32% потребности в них. После 2015 года возможно полное удовлетворение собственных потребностей страны в солнечных водоподъемных комплексах;

—  ежегодный выпуск 35 модулей СФЭУ мощностью по 10 кВт каждый  позволит удовлетворять до 3% потребности населенных пунктов отгонных  пастбищ в электроснабжении, а на период  2012 и 2020 годы– до 30 %.

— внедрение СФЭУ позволит: перевести на питание от них транзисторную радиоаппаратуру мощностью до 2 Вт в объеме, превышающем среднегодовое поступление товаров в страну;

         перевести на питание от СФЭУ бытовую радиоаппаратуру мощностью до 40 Вт в объеме, превышающем 21% среднегодового поступления этих товаров в страну;

         ежегодно переводить на питание от СФЭУ до 30% станций катодной защиты подземных сооружений страны;

         полностью удовлетворить собственные потребности страны в переводе  речного и морского навигационного оборудования на питание от солнечных батарей.

Экономический эффект от внедрения продукции завода по производству СФЭУ составит:  1,2 млн. долл. США в год,  соответственно экономия органического топлива – 738,1 т у. т. в год или сократит выбросы на 1793,6 Мг – экв. СО2 в год.

Область использования солнечных электростанций и  применение солнечных батарей могут  быть значительно расширены. Солнечные фотоэлектрические установки могут применяться, например:

         для электропитания солнечных электролизно-водных установок СЭСУ-120, с потребляемой мощностью 500 Вт, производительностью 120 л водород-кислородной смеси в час;

         для электропитания электродиализных опреснительных установок потребляемой мощностью 500 Вт, производительностью 1 т пресной воды за сутки;

         для освещения кошар и питания электроизгороди для овец;

         для энергопитания сельскохозяйственных машин и механизмов, как  электростригального агрегата ЭСА-12Г, транспортера шерсти, чаеочистительной машины ЧП-300, электромотыги ЭМ-12, электрофрезы ФС-07, потребляемой мощностью 0,27 кВт до 4,0 кВт;

         для питания машин и механизмов животноводческих ферм: укладчика грубых кормов, с потребляемой мощностью 1,7 кВт; раздатчика кормов РКУ-200, РКС-3000М, потребляемой мощностью 3 кВт.

  В этой главе рассмотрено новое направление в развитии рынка — механизм чистого развития (МЧР), где рассматривается эколого-экономические и социальные аспекты с привлечением инвесторов в области продажи парниковых газов по квотам. Приводятся таблицы основных областей для реализации проектов МЧР в Туркменистане, возможности сокращения    парниковых газов в нефтегазовом комплексе, оценены приоритетные области от энергоэффективности и использования ВИЭ в Туркменистане. На основании результатов расчета в приложении диссертации представлено проектное предложение в Углеродный фонд Всемирного банка.

В диссертации даны рекомендации для улучшения законодательной базы, что в свою очередь   обеспечит развитие солнечной энергетики в Туркменистане. Руководящие принципы, использованные в рекомендации, содержатся в НПООДС, где определены направления и задачи природоохранной политики и составлен план долгосрочных мероприятий.

При подготовке предложений по Государственной поддержке развития солнечной энергетики в Туркменистане. Мы исходили из опыта Европейских стран, США. Суть которых сводится к созданию благоприятных условий производителям и потребителям оборудования использующих ВИЭ.   

 

В ы в о д ы

 

1.     Изучив современное состояние энергетики, факторы воздействия и ее взаимосвязь с окружающей средой  рассчитаны, согласно имеющейся методики, валовый и технический потенциал солнечной энергии Туркменистана равные соответственно:  12 МДж или 867,5712 кВт ч и 12 МДж или  117,8112 кВт ч, что позволяет за счет использования солнечной энергии решить проблемы обеспечения электроэнергией, водой и в целом  улучшить социально-бытовые условия населения поселков, удаленных от централизованного электрогазотеплоснабжения.

2.     На основании теоретических    исследований  электрических параметров солнечной фотоэлектрической установки при неравномерном освещении показано, что для сферической СФЭУ из модулей на основе СЭ малой площади при одинаковом к.п.д. модулей будет иметь мощность на 32 % больше, чем для модулей из СЭ большой площади; при использование цилиндрической СФЭУ и СФМ малой площади увеличивает мощность СФЭУ на 19 %, эти расчеты найдут свое применение при проектировании солнечных домов и других объектов энергоснабжения.

3.     Разработан способ изготовления солнечной энергетической установки с  осесимметричным концентратором    позволяющий снизить себестоимость производства СФЭУ на 30% за счет сокращения площади СЭ и увеличения концентрации солнечного излучения. На способ получено решение о выдаче  патента РФ.

4.     Введена в действие солнечная фотоэлектрическая водоподъемная установка на экспериментальной базе Национального института пустынь, растительного и животного мира Туркменистана (см. фотографии, акт, протокол испытания  в приложении диссертации). Технико-экономические расчеты на одну солнечную фотоэлектрическую установку показывают, что в год экономится 12,0 т органического топлива,  прибыль составляет 3830 долл. США и сокращаются выбросы на 38,4 т СО2 . На основании результатов исследований  созданной солнечной фотоэлектрической установки, составлен проект (PIN) на 30 СФЭУ и направлен в Углеродный фонд Всемирного банка (PIN представлен в приложении).

5.     На основе анализа климатических особенностей Туркменистана, водных ресурсов подземных вод и дебита колодцев составлена картограмма  требуемой  энергии для подъема воды из колодцев. Использование картографического  материала  позволит  подсчитать энергетические ресурсы, сокращение выбросов парникового газа и экономию органического топлива для пастбищных районов страны, общая площадь которых составляет 40 млн. га.

6.     При годовом поступлении солнечной радиации не менее 1200 кВт ч/м2 и   эффективном использовании этой энергии можно будет обеспечить до 25% теплопотребления в системах отопления, до 50% — в системах горячего водоснабжения и до 75% в системах кондиционирования воздуха, сократить расход органического топлива и обеспечить экономию топливно-энергетических ресурсов в размере 2364 тыс. т у.т. или 52.6%, в том числе в сельской местности 1110.6 тыс. т у. т. или 61.5%.

7.     Внедрение установок с использованием возобновляемых источников энергии в Туркменистане  позволит сократить выбросы парниковых газов в атмосферу. Например: использование солнечной энергии для нагрева воды даст возможность  экономить за год с 1м 2 водонагревательной установки  0.15 т у.т.,  что уменьшит выбросы СО2 на 0.364 Мг. Годовой экономический эффект от комбинированного применения гелиоветроэнергетических систем для теплохладоснабжения сельского дома площадью 150 м2 в сельской местности составит 0.4 тыс. долл. в год и сэкономит на душу населения 180-200 кг у.т. в год. Автономный гелиокомплекс за 10 лет экономит 1.8-2.0  т у.т. и уменьшит выбросы СО2 на 4.37-4.85 Мг.

8.     Учитывая приоритеты и перспективы использования возобновляемых источников энергии в Туркменистане по механизму чистого развития и возможности сокращения выбросов парниковых газов в топливно-энергетическом комплексе, определены области развития солнечной энергетики и ее энергоэффективность.  При создании завода в Туркменистане по производству СФЭУ с годовой мощностью 2 МВт и годовым выпуском продукции равным 14 млн. долл. США, ожидаемый экономический эффект от внедрения продукции завода составит 1,2 млн. долл. США в год, экономия органического топлива – 738,1 т у.т.  в год.

 

 

 

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

 

1.      Стребков Д.С., Мамедсахатов Б.Д. Расчет мощности солнечной фотоэлектрической станции объемной конструкции. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, М.: 2007, № 4,  с 19-20.

2.     Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Основные условия и факторы развития  фотоэнергетики в Туркменистане. // Альтернативная энергетика и экология, М.: 2007, № 2 (46), с. 71-20.

3.     Решение о выдаче патента РФ № 2006132112106 от 17.04.2007 Способ изготовления солнечной энергетической установки с концентратором/ Стребков Д.С., Тюхов И.И., Мамедсахатов Б.Д.// БИ, 2007.

4.     Стребков Д.С., Мамедсахатов Б.Д., Пенджиев А.М. Перспективы развития солнечной фотоэнергетики в Среднеазиатском регионе. В кн. Сб. научных трудов и инженерных разработок. Перспективные результаты фундаментальных исследований. Материалы 7- специальная выставка конференции изделия двойного назначения 2006, 16-19 октябрь. Москва, с. 112-118.

5.     Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Водоснабжение в пустыне Каракумы с использованием солнечной фотоэлектрической станции. //Мелиорация и водное хозяйство, M.: 2007, № 2, с.50-51.

6.      Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Расчетная себестоимость возобновляемых источников энергии. //Международный научно-практический журнал «Проблемы освоения пустынь», Ашхабад, 2006, №1, с.46-48.  

7.      Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. О развитии фотоэнергетики в Туркменистане. //Международный научно-практический журнал «Проблемы освоения пустынь», Ашхабад, 2006, № 2, с 39-41.  

8.     Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Энергосбережение пустынных пастбищ Туркменистана. //Международный научно-практический журнал «Проблемы освоения пустынь», Ашхабад, 2006, № 3, с. 56-59 .

9.      Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Расчет себестоимости возобновляемых источников энергии в Туркменистане. //Наука и техника в Туркменистане, Ашхабад, 2007, № 1,   с 56-60 (туркм. яз.).

10. Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Геотермальные ресурсы Туркменистана. //Альтернативная энергетика и экология , М.: 2007,№ 7 (51), с  64-69.