Обоснование энергетических параметров солнечных фотоэлектрических установок и перспективы их использования в Туркменистане

Актуальность проблемы. Одной из важных проблем человечества в XXI веке является изменение климата. По прогнозам ученых ожидается дальнейшее повышение средней температуры воздуха по сравнению с данными прошлого столетия на 1−2° С, к 2025 году — на 2-ЗбС, к 2050 году — на 3−5° С [ 38,41,42 ].

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 [41,42].

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

Энергетическая стратегия Туркменистана в 20 веке исходила из приоритетности создания крупных объектов, использовавших органическое топливо. В Туркменистане на долю топливно-энергетического комплекса приходилось в 2005 году около 50% всей производимой промышленностью продукции, при этом 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 [1,46,75].

Важное значение для дальнейшего развития энергетики имеет встреча Президента России В. В. Путина, Президента Казахстана Н. А. Назарбаева и Президента Туркменистана Г. М. Бердымухамедова в мае 2007 года. Стороны приняли решение о строительстве Прикаспийского газопровода. Президенты подчеркнули важность углубления всестороннего сотрудничества в области 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.

Туркменистан имеет ряд благоприятных факторов для использования солнечной энергии. Климату Туркменистана характерна большая продолжительность солнечного сияния. Однако, в Туркменистане, расположенном в зоне пустынь, климат резко континентальный и очень сухой. В Центральных Каракумах из-за недостаточного количества атмосферных осадков и отсутствия поверхностных вод остро ощущается нехватка пресной питьевой воды. Это создает большие проблемы не только для развития сельского хозяйства, в том числе животноводства, создания необходимых условий людям, живущим в отдаленных населенных поселках и пунктах, но и для развития инфраструктуры в целом.

По данным ученых Туркменистан располагает огромными запасами водных ресурсов (около 80км3), но на большой глубине. Необходимую воду для жизнедеятельности и развития инфраструктуры отдаленных поселков приходится поднимать на поверхность из артезианских скважин. При этом используются дизельные генераторы, работающие на органическом топливе, что не только загрязняет окружающую среду, но и требует дополнительных расходов и затрат на обслуживание и транспортировку топлива.

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 (согласно данным, опубликованным на сайте www. plioton).

В связи с вышеизложенным, проблема использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в первую очередь солнечных энергетических установок для водоснабжения, является 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 действия по охране окружающей среды.

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 и, соответственно, 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 станцийразработана новая технология изготовления солнечных энергетических установок с осесимметричным концентратором. Научная новизна работы подтверждена патентом РФ на изобретение;

— предложено законодательное обеспечение развития солнечной энергетики в Туркменистане.

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 СОг, улучшить условия жизни местного населения, содействовать интенсификации производства пастбищных комплексов в год.

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

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

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, обеспечивающие 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.

Выводы.

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: 3123−1012 МДж или 867,57−1012 кВт ч и 424,1−1012 МДж или.

1 'У.

117,81−10 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 площадипри 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 па 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. фотография, 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 СОг. 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 2364 тыс. т у.т. или 52.6%, в том числе в сельской местности 1110.6 тыс. ту. 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 1 м 2 водонагревательной установки 0.15 т у.т., что уменьшит выбросы СОг 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 С02 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 ту.т. в год.

Заключение

.

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы и предложения по государственной поддержке развития солнечной энергетики в Туркменистане:

1. Установление государственных целей по использованию солнечной энергии в виде вводимой мощности к 2015,2020 и 2025 г.

2. Разработка государственного закона и целевой программы использования солнечной энергии или нескольких программ по видам возобновляемых источников энергии до 2020 года со 100% финансированием демонстрационных проектов.

3. Образование органа исполнительной власти (Агентство, Центр, институт солнечной энергии), имеющий филиалы во всех регионах Туркменистана и отвечающий за достижение государственных целей и выполнение программ по использованию возобновляемых источников энергии.

4. Поощрение создания совместных предприятий и развитие сотрудничества между электрическими компаниями и фирмами, производящими энергетические установки.

5. Разработка технического регламента на оборудование, стандартизация и сертификация оборудования, организация статистической отчетности.

6. Установление обязательности применения солнечной энергии при проектировании и строительстве зданий с включением стоимости оборудования в стоимость строительства (1−3%).

7. Включение социальных затрат в стоимость электроэнергии как в топливной, так и в возобновляемой энергетике. Образование фонда развития солнечной энергетики за счет отчисления от инвестиционной составляющей тарифов на электрическую и тепловую энергию.

8. Установление недискриминационного и бесплатного подключения к электрическим и тепловым сетям солнечного энергетического оборудования, принадлежащего частным владельцам.

9. Установление механизмов стимулирования использования солнечной энергии с использованием опыта Греции и других стран-членов ЕЭС с обязательным включением двух пунктов: а) возмещение покупателям солнечного энергетического оборудования, 40−60% капитальных затрат на приобретение и установку оборудованияб) оплата электрической энергии, проданной сетевой компании частным владельцем солнечного энергетического оборудования по цене $ 0,72/кВт-ч (50 евроцентовУкВт ч в течение 20 лет.

10. Отмена дискриминационных ограничений и разрешений на экспорт солнечных элементов, солнечных модулей как товаров двойного назначения.

11. Отмена таможенных пошлин на импорт технологического оборудования и комплектующих для производства солнечных элементов.

12. Создание завода по производству солнечных батарей с годовой мощностью 2 МВт и годовым объемом выпуска продукции равным 14 млн долл. США. Объем капитальных вложений на строительство завода по производству солнечных батарей составит 8 млн долл. США.

13. Годовая выработка электроэнергии солнечными фотоэлектрическими станциями и батареями, планируемыми к выпуску заводом, составит 6 ГВт ч. Себестоимость выработки 1кВт ч электроэнергии составит 0,20 долларов США.

14. Создание завода по производству солнечных батарей позволит за 2010;2030 г. г. полностью удовлетворить потребности страны: в солнечных водоподъемных комплексах, для электроснабжения населенных пунктов, отгонных пастбищ, в электропитании станций катодной защиты подземных сооружений, в электропитании речного и морского навигационного оборудования и др.

4.3. Основные факторы н прогноз развития солнечной фотоэнергетики в Туркменистане на период до 2030 г.

Одним из главных естественных факторов, обусловливающим необходимость развития солнечной фотоэнергетики в Туркменистане, является сравнительно большая величина годового прихода солнечной суммарной радиации на поверхность. Величина этого показателя для Туркменистана составляет 6400 МДж/м2 или 1777,92 кВт ч на один квадратный метр в год. Продолжительность солнечного сияния составляет 3000 часов в год. Согласно имеющейся методике [92] определения валового потенциала солнечной энергии средний годовой приход суммарной солнечной радиации на всю площадь Туркменистана будет равен 3123*1012МДж или 867,57 *1012 кВт ч (табл. 4.4.). Этот показатель определяет потенциальные фотоэнергетические ресурсы страны, (табл.

4.4.).