Введение
Для развития цивилизации жизненно необходимы достаточные источники электроэнергии. Вся человеческая цивилизация находится в постоянной зависимости от источников этого вида энергии. Но современные источники электроэнергии имеют свой ресурс исчерпаемости. В 21 веке остро ощущается необходимость развития новых экологический безопасных и экономический выгодных источниках энергии. Солнечная электроэнергетика в настоящие время является потенциально важнейшим элементом мировой энергетики.
Данная дипломная работа является исследованием и анализом мирового опыта в области солнечной электроэнергетики, рассматривает потенциал солнечной электроэнергетики в общемировом и республиканском масштабе.
Актуальность темы дипломной работы состоит в обосновании эффективности солнечной электроэнергетики как рационального пути решения энергетических, экологических и социально - экономических проблем для Республики Казахстан.
Научная новизна дипломной работы состоит в исследовании нового альтернативного источника электроэнергии.
Практическая значимость исследованийсостоит в обосновании рациональных путей обеспечения народного хозяйства Казахстана электроэнергией, а также связанных с ними экономических и экологических проблем. Это позволит в перспективе повысить эффективность энергетической системы Казахстана в десятки раз и снизить затраты на электроэнергию.
Оценка современного состояния решаемой научной проблемы.
На сегодняшний день основными источниками электроэнергии являются электростанции работающие на углеводородном топливе, таком как уголь (от 30 до 50%,), торф (до 45%), газ (от 10 до 40%,) и мазут, атомные электростанции (17-20 %), гидроэлектростанции (5%) . Но данные способы получение электроэнергии имеют серьезные недостатки: истощаемость углеводородных природных ресурсов, общий дефицит электроэнергии, её дороговизна и проблемы загрязнения окружающей среды. К тому же трагические события в истории атомной энергетики, авария на Чернобыльской АЭС и на атомной станции в городе Фокусима, показывают с какими большими рисками связана эксплуатация атомных электростанций.
По мнению мировых экспертов, единственным выходом из сложившейся ситуации является развитие и эксплуатация нетрадиционных, альтернативных способов получения электроэнергии. Наиболее перспективным является развитие солнечной энергетики (СЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья.
Солнечная электроэнергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения электроэнергии. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство электроэнергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1% общемировой генерации электроэнергии.
На сегодняшний день основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанциях являются Германия - 17320 МВт, Испания - 3892 МВт, Италия - 3502 МВт и США - 2519 МВт. Технологический опыт этих стран очень важен для понимания всей перспективности солнечной электроэнергетики.
Цель дипломной работы - обосновании предложений по рациональным путям повышения эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики.
Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи дипломной работы:
) Проанализировать мировые перспективы развития солнечной электроэнергетики;
) Изучить передовой опыт развитых стран в сфере решения технико-технологических и экономических проблем разработки и эксплуатации солнечных электростанций различных видов;
) Проанализировать положение дел в энергосистеме Республики Казахстан;
) Для выбранного объекта исследования обосновать предложения по рациональному развитию данного сегмента энергетики;
) Выполнить экономическую, экологическую оценку результатов дипломной работы, а также оценку безопасности в энергетической отросли.
Основным объектом исследования является энергетическая система Казахстана.
В процессе выполнения дипломной работы
использовались следующие основные методы исследований: аналитический,
статистический, расчётный, монографический, исторический.
1. Аналитический обзор
.1 Состояние и мировые перспективы развития
солнечной энергетики
СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономический выгодный способ получение электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья.
Человек давно использует энергию солнца. Солнечные батареи используют не только как источник питания космических станций: они приобрели широкое применение в отдаленных районах Азии и Африки, где затруднен доступ к электросетям. В Индии существует проект замены 4-5 млн. дизельных водяных насосов в деревнях на солнечные установки, что позволит сэкономить около 1000 МВт мощности. Сегодня около 95% многоквартирных домов оснащены солнечными водонагревателямив Израиле, в масштабах страны помогающими экономить 4% энергии. В Китае в 2009 г. около 60 млн. семей пользовались такими устройствами. С 80-х годов в ряде стран реализуются проекты и ведутся исследования, нацеленные на использование солнечной энергии в рамках "большой" энергетики. Это обусловлено перспективой снижения зависимости от традиционных энергоносителей, сжигание которых сопровождается к тому же выбросами "парникового" углекислого газа, с помощью общедоступной и бесплатной энергии солнца. С этой целью строятся солнечные электростанции, мощность крупнейших из которых уже достигает десятков мегаватт. Помимо экономического аспекта не маловажную роль играет и экологический аспект, солнечная энергетика способствует увеличению научного потенциала государства, созданию рабочих мест в передовой отрасли, относится к сфере высоких технологий и ее развитие.
Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли значительно больше мирового потенциала ресурсов органического топлива в 6-7 раз. За неделю на поверхность Земли поступает такое количество солнечной энергии, которое превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Использование только 0,5% этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии в длительной перспективе. Солнечные электростанции работают более чем в 30 странах [1]. Согласно прогнозу [5], по сравнению с 2010 годом, структура энергопотребления человечества к 2100 году изменится примерно следующим образом: потребление нефти в качестве источника энергии уменьшится с 36% до 5%, угля - с 18% до менее одного процента, газа - с 26% до девяти процентов, производство атомной энергии по традиционным технологиям будет прекращено в связи с нерешённостью проблем безопасности, в частности - проблем утилизации вредных ядерных отходов; доля гидроэнергетики уменьшится с шести до полутора процентов, биомассы - с 10% до семи. При этом доля альтернативных возобновимых, экологически чистых, безопасных источников энергии резко возрастёт - ветровая энергетика - от минимума до более семи процентов, прочие виды - до пяти процентов, солнечная энергетика (включая солнечное отопление) - от минимума до более 60% [5].По прогнозу МИРЭС увеличение использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии до 2020 г. ожидается до 12% от мирового потребления традиционной энергетики. Это меньше предыдущего прогноза примерно на восемь процентов по уровню 2020 года. По исследованиям ряда зарубежных специалистов к 2020 году соотношения стоимостей электроэнергии, производимой на основе альтернативных и традиционных видов топлива (дол. США / кВт-ч) ожидается в следующих размерах [6]: энергия солнца - 0,01; тепловая солнечная энергия - 0,03; фотоэлектрическая солнечная энергия - 0,02-0,03; атомная энергия - 0,04 - 0,13; энергия, полученная при сжигании нефтепродуктов - 0,06; при сжигании угля - 0,04. То есть, стоимость самого дорогого, но и самого перспективного (по многим оценкам) варианта солнечной энергии (фотоэлектрической) ожидается до шести раз дешевле атомной, до трёх раз дешевле сжигания нефтепродуктов и до двух раз дешевле сжигания угля [7].
СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья. Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии [2]. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1% общемировой генерации электроэнергии, в связи с тем, что основная научная деятельность в энергетики была направлена на развитие атомной энергетики, а солнечной энергии не уделялось должное внимание.
Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт.ч электроэнергии, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт.ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти [9].
В связи с высокой надежностью по основным компонентам - кремнию и солнечным элементам срок службы солнечных электростанций может быть увеличен до 50-100 лет. Для этого потребуется исключить из технологии герметизации полимерные материалы. Единственным ограничением может явиться необходимость их замены на более эффективные. КПД в 25-30% по прогнозам будет достигнут в производстве в ближайшие 10-20 лет. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.
Солнечная энергетика вслед за атомной в настоящий момент переживает возрождение. Такое положение связано с ужесточением экологических норм и ростом потребности в электроэнергии. Это "ножницы" мировой экономики, поскольку практический не возможно нарастить энергетические мощности без ущерба для экологии окружающей среды. Выход из сложившейся ситуации - ускоренный переход к более "чистой" энергетике. Так, передовые страны объявили о принятие ряда мер и законопроектов по значительному, поэтапному снижению техногенных выбросов (от 15% до 40%) и выделяемых средствах порядка 30 млрд. долларов США в течение ближайших трех лет и 100 млрд. до 2020 года для помощи наименее обеспеченным странам, страдающим от потепления климата. Эти страны также необходимо оказать своевременную помощь как в технологическом и техническом оснащении солнечных электростанций, обеспечивших промышленно развитым странам технический прогресс в 20 веке, так и в использовании других возобновляемых источниках энергии. Учитывая важность проблемы, было принято решение рассмотреть исполнение юридических обязательств государств по Киотскому протоколу на конференции ООН по климату в этом году в Мехико.
Таким образом, мировая научная общественность как на научном так и на политическом уровне приходят к выводу солнечная электроэнергетика - наиболее эффективный вид альтернативной, безопасной энергетики в обозримой перспективе человечества.
Солнечная энергия в техники впервые была использована в 18 веке. В 1600 году изобрели во Франции первый солнечный двигатель использующейся для перекачки воды. Он работал за счет энергии нагретого воздуха. В конце 17 ого века А. Лавуазье изобретает солнечную печь с температурой в 1650 градусов Цельсия. В ней изучались свойства платины и углерода, а так же нагревались в вакууме образцы исследуемых материалов и защитной атмосферы. Несколько крупных гелиоконцентраторов были построены в Алжире французским ученым А. Мушо в 1866 году. Их использовали для приводов насосов и дистилляции воды. В 1878 году, в Париже А. Мушо была продемонстрирована солнечная печь которая использовалась для температурной обработки продуктов питания. За 20 минут в ней можно было приготовить 500 грамм мяса. Гелио воздушный двигатель размером 4.8 на 3.3 метров, с параболическим концентратором был продемонстрирован в США в 1833 году ученым Дж. Эриксоном. Француз Ш.А. Тальер изобрел первый в мире плоский коллектор гелио энергии. Он использовался в тепловом двигателе и имел площадь 20 м2,тепловой двигатель работал на амеаке. В 1885 году была продемонстрирована схема для подачи воды смонтированная на крыше пристройки к дому, работающая от гелиоустановки с плоским колекктором.
Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.
В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000°С.
На башенных СЭС сегодня зеркала (гелиостаты) отражают СИ на теплоприемник, установленный на высокой башне. Этот принцип англичанин Уильям Адаме использовал для своей энергетической установки в Бомбее еще в 1878 году. Прототип мощной гелиостанции с параболо-цилиндрическими отражателями, подобной той, что используется сегодня в калифорнийской пустыне Мохаве и вырабатывает пар для турбин, также был разработан в конце прошлого века - американцем Джоном Эрикссоном.
Впервые их начал широко применять американский предприниматель Фрэнк Шуман. Его установки на окраине Каира качали на поля воду Нила. К сожалению, эта действовавшая солнечная силовая установка мощностью в 40 киловатт была разрушена в первую мировую войну.
Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 1930-е годы XX века. Фотоэлементы, разработанные тогда в ФТИ им. Йоффе имели КПД до 1%, т.е. в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии. В 1954 году Пирсон, Фуллер и Чапин (США) запатентовали первый элемент с КПД около 6%. Четыре года спустя, солнечные батареи стали основными источниками энергии на космических аппаратах СССР и США.
К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке.
В 1977 году, Соединенные Штаты создали новое правительственное учреждение, деятельность которого была полностью посвящена освоению энергии солнца, ее преобразованию в электричество. 1980-ые были также важным временем в истории развития солнечной энергии. В 1981 году ученые создавали первый солнечный самолет, а в 1982-ом первый солнечный полно приводной автомобиль. В период 1990-2000-х солнечные батареи становятся еще более эффективными, но что еще более важно они стали доступны широкому потребителю, их рынок действительно становится массовым, особенно в том его сегменте, который относится к индивидуальному домовладению и строительству частных домов. В 1985 году все установленные мощности мира полученные из энергии солнца составляли 21 МВт. [3]
За 26 лет установленная мировая мощность
возрастает с 21 МВт до 39778 МВт. Такое увеличение мощности связанно с
усовершенствованием и удешевлением способов переработки прямой солнечной
энергии в электрическую.
1.2 Передовой мировой опыт производства
солнечной электроэнергии
На сегодняшний день основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанций является Германия - 17320 МВт, Испания - 3892 МВт, Италия - 3502 МВт и США - 2519 МВт.
Опыт этих передовых научных стран очень важен для понимания всей перспективности солнечной электроэнергетики. Попытаемся кратко описать некоторые аспекты солнечной энергетики Германии, Испании, Италии и США.