Материал: Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики

2.2 Роль и значение солнечной электроэнергетики для Казахстана и рациональнее перспективы ее развития

Исходя из того, что в Казахстане мощность солнечного излучения достигает 1,5 кВт. час на м², можно прогнозировать потенциал годового использования солнечной энергии в Казахстане не менее 75 тыс. т.у.т. уже в ближайшие годы. Для развития солнечной энергетики требуется принятие ряда нормативно-правовых актов на уровне Кабинета Министров, определяющих механизм экономического стимулирования, а также введение в нормативы по промышленному, коммунальному и курортному строительству условий обязательного использования технологий использования возобновляемой энергии на стадии проектных разработок.

В каких отраслях есть наибольшие перспективы использования солнечной энергии?

Безусловно, на первом месте стоит жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ), которое сегодня является одной из самых энергоемких отраслей в народном хозяйстве Казахстана и занимает третье место по объемам использования энергоресурсов в регионе. Прогнозы показывают, что только за счет реализации программы социального развития в Казахстане в ближайшие 15 лет возможен рост жилищного строительства на 15-20 %, что приведет к значительному увеличению потребности в органическом топливе на нужды теплоснабжения зданий.

Конкурентоспособность систем централизованного теплоснабжения в жилищно-коммунальном секторе практически полностью определяется надежностью и эффективностью эксплуатируемых и вновь строящихся систем транспортирования тепловой энергии. Физический износ основного теплотехнического оборудования существующих котельных постоянно увеличивается и требует проведения капитального ремонта. В критическом состоянии находятся многие трубопроводы тепловых сетей. Планы капитальных ремонтов по замене изношенных теплопроводов не выполняются из-за отсутствия достаточных средств, что снижает общую надежность систем городского централизованного теплоснабжения. Рассчитывать на существенное улучшение ситуации в ближайшие годы вряд ли возможно.

Второй отраслью, где применение солнечной энергии весьма перспективно, является курортно-рекреационная сфера.

Рекреационная отрасль в Казахстане претерпевает значительные изменения, связанные с повышением качества обслуживания и расширением сферы услуг в уже имеющихся пансионатах, домах отдыха, санаториях, а также с появлением новых объектов.

Третьим направлением эффективного использования солнечной энергии является бюджетная сфера, особенно детские дошкольные учреждения. Во многих из них проблема горячего водоснабжения решается примитивными энергоемкими средствами.

Активизировать работы по использованию солнечной энергии в реальном секторе экономики региона можно путем объединения усилий органов исполнительной власти, науки, производства и малого бизнеса через создание различных объединений (ассоциаций, консорциумов). Основанием для такой деятельности является Государственная программа социально-экономического развития Республики Казахстан до 2017 года, утвержденная Кабинетом Министров в 2007 году. Она предусматривает строительство в регионе десяти тысяч гелиоустановок для нагрева воды в течение 3-4 лет. Решить эту задачу можно путем привлечения научно-технического и производственного потенциала Казахстана, финансовых ресурсов населения и предприятий Казахстана, при поддержке местных органов власти

В послании народу президент страны Нурсултан Назарбаев поставил задачу создать инновационные и передовые производства в республике. Одним из таких направлений может стать развитие солнечной энергетики. На протяжении трех лет Казахстане ведется особо активная деятельность по освоению потенциала солнечной энергии. Более того, у Казахстана, в недрах которого находится вся таблица Менделеева, а территория - в "солнечном поясе", есть шанс выбиться по этому показателю в мировые лидеры.

Мы уже имеем серьёзный опыт работы в этой области энергетики. Так к примеру первая в Казахстане солнечная электростанция мощностью 52 кВт была запущена в июне 2010ого года в ауле Сарыбулак Алматинской области. Солнечная электростанция обеспечила освещение в домах и подачу питьевой воды из скважины. Проект реализован при поддержке Программы развития ООН в рамках международного проекта "Зеленая деревня"[12].

Первая очередь промышленной солнечной электростанции "Отар" введена в эксплуатацию в январе 2013 года в Жамбыльской области. Пока что мощность первой очереди будущего солнечного парка составляет 504 кВт. Она подсоединена к общим электрическим сетям и выдает выработанную электроэнергию в энергетическую систему Казахстана. После испытаний планируется довести мощность объекта до проектного значения 7 МВт. Проект реализован за счет средств частного инвестора ТОО "КазЭкоВатт", которые он планирует окупить не более чем за 10 лет.

Солнечная электростанция "Отар" состоит из 51 солнечных установок, каждая из которых имеет 42 панели, которые могут производить 235 Вт. Срок эксплуатации солнечных модулей около 25 лет. В ясные дни объект способен обеспечивать электроэнергией приблизительно двести домохозяйств, а после выхода на проектную мощность их количество увеличится до 2500.

В сентябре 2012 года солнечные батареи установили на крыше Евразийского национального университета им. Л. Гумилева в Астане. При мощности 10 кВт батареи обеспечивают энергией несколько аудиторий университета.

В декабре того же года в Астане запущен завод по производству фотоэлектрических модулей. Запуск производственной линии дочернего предприятия Казатомпрома - ТОО "AstanaSolar" .На новом заводе будут выпускаться солнечные батареи на основе 100-процентного казахстанского кремния. Завод оснащен автоматизированным оборудованием последнего поколения. Проектная мощность планируемых к выпуску фотоэлектрических пластин составит 50 Мвт с расширением в перспективе до 100 Мвт.

Такие модули обладают КПД 15,36% и имеют срок службы 20 лет. На заводе будет создано 175 рабочих мест. Сырьём для производства послужит казахстанский кремний KazPV, который будет проходить очистку и обработку в городе Усть-Каменогорске[12].

Под эгидой проекта ПРООН с целью демонстрации возможностей применения солнечных технологий в Казахстане был осуществлен проект по установке солнечной батареи на котельной в одном из районов Алматы совместно с АО "Алматытеплокоммунэнерго".

Солнечные панели площадью 260 кв.м имеют тепловую производительность примерно 0,1 Гкал/час. На данный момент это самая большая солнечная установка в стране. Другая площадью 72 кв. м смонтирована НПО "Тарбие" на "Доме ребенка" в Кызылорде при финансировании со стороны Программы малых грантов ПРООН. Представители ПРООН надеются, что эти установки станут своего рода рекламой возможностей, которые имеются в использовании солнечной энергии в Казахстане [12].

Казахстан, являясь крупнейшей центрально-азиатской республикой, имеет большой потенциал солнечной энергетики.

Количество солнечных часов в год составляет 2,200-3,000, а энергия солнечного излучения равняется 1,300-1,800 кВт/м²/год. [7]

[8] В таблице 12 и 13 приведены данные о месячных и годовых значениях солнечного излучения (энергетической освещенности) для трех районов: Форт-Шевченко (на побережье Каспийского моря), Аральского моря (вблизи Аральского побережья) и Алма-Ата (на юго-востоке страны)(в соответствии с рисунком 18 и рисунком 19).

Таблица 1

Ежемесячная и годовая суммарная солнечная освещенность горизонтальной поверхности, МДж/м².

Таблица 2

Ежемесячная и годовая суммарная солнечная освещенность поверхности перпендикулярной к потоку излучения, МДж/м².

Рисунок 18. Прямое солнечное излучение на поверхность, перпендикулярную к излучению (Источник: NASA).

Рисунок 19. Солнечное излучение на горизонтальную поверхность (Источник: NASA) [8]

Исходя из выше приведенных данных можно сделать вывод что для Казахстанская энергетика имеет огромный потенциал в получение электричества с помощью фотоэлектрических преобразователей. Фотоэлектрические панели могут найти применение для получения электричества в небольших количествах для нужд освещения, телерадиовещания на небольших сельских фермах и чабанских кочевьях, не имеющих доступа к линиям электропередач ,что характерно для южных регионов страны. По оценкам, приведенным в исследовании Е8МАР, применение небольших солнечных фотоэлектрических панелей с батареями для нужд освещения может оказаться даже более экономичным, чем керосиновая лампа. Возможный рынок 20 ваттных солнечных фотоэлектрических панелей в Казахстане может составить порядка 20 тыс. штук. Также, существует возможность применения фотоэлектрических панелей для обеспечения привода небольших электронасосов для подъёма воды из колодцев. Строительства же масштабных солнечных электростанций в крупных городах положительно влияет на всю энергоструктуру региона, снижая линию нагрузку с магистралей транспортировки электрического тока, тем самым увеличивая срок эксплуатации последних.

Наличие значительного потенциала солнечной энергии делает выгодным его экономическое использование в Казахстане , где есть все условия для развития солнечной энергетики как основного вида альтернативной энергетики.

Казахстан обладает громадными запасами двуокиси кремния, так недра страны содержат 265 млн. тонн кварцитов и 65 млн. тонн высокочистого кварца. Ряд компаний - SiliciumKazakhstan, KunRenewables и др. заявили о разработке проектов по производству МК, поликристаллического кремния, а в дальнейшем ФЭП, модулей и фотоэнергетических установок в различных областях Казахстана. Есть промышленные месторождения и источники других минералов, в том числе редкоземельных, необходимых для производства фотоэлементов - галлия, мышьяка, кадмия, германия. Казахстан входит в первую тройку мировых производителей галлия (объем мирового производства - около 100 т отечественного - 22 т). По данным мировой статистики, республика занимает третье место в мире по производству мышьяка, ежегодно производя около 2 тыс. т триоксида мышьяка по содержанию металла. Следует отметить также сложившиеся достаточно сильные позиции на рынке космических солнечных батарей, позволяющие включиться в республиканскую космическую программу и при необходимости выйти на этот сегмент мирового рынка.

На этой основе уже в течение более чем 20 лет развиваются фототехнологии. Казахстанские арсенид-галиевые солнечные антенны использовались на советских космических спутниках. Их КПД составлял 24%, что делает их одними из лучших в мире. Однако все эти передовые разработки использовались в военно-промышленном комплексе и оставались закрытыми для остальной науки. Открытые же разработки не были связаны между собой, что тормозило их внедрение на практике.

Предложенное главой государства в послании-2010 создание при Новом университете в Астане трех научных центров, в том числе по возобновляемой энергетике, позволит разрабатывать перспективные технологии производства ФЭП новых генераций и производить их внедрение на научно-производственной базе этого комплексного предприятия. Разработка и реализация подобных проектов может производиться также и в организованных при национальных и областных университетах инженерных лабораториях.

.3 Обоснование и расчет рациональной технологической схемы уличного освещения на основе фотомодулей

Уличное освещение - средства искусственного увеличения оптической видимости на улице в тёмное время суток. Как правило осуществляется лампами, закрепленными на мачтах, столбах, путепроводах и других опорах. Лампы включаются в ночное время автоматически, либо вручную из диспетчерского пункта.

Классическое уличное освещение питается от линей электропередач.

Уличное освещение на солнечных батареях использует непосредственно солнечную энергию преобразованную в электрический ток.

Уличные светильники на солнечных батареях постепенно входят в обиход и становятся основным источником освещения. Они практичны, экономичны, долговечны, удобны в эксплуатации, при этом стоят совсем недорого и не требуют сложного обслуживания. Автономные светильники на солнечных батареях могут использоваться для освещения самых различных объектов: спортивных площадок, торговых центров, промышленных предприятий, фасадов жилых и офисных зданий, парков, скверов и т.д.

Данный вид уличного освещения целесообразно применять для южных регионов страны, где на сегодняшней момент наблюдаются проблемы с передачей электроэнергии, так же такой вид уличного освещения будет полезен животноводам и фермерам, каждый год меняющим местоположение. Отдалённым населённым пунктам, не имеющим возможности подключения к электромагистралями и населённым пунктам где в свези с геологическими условиями возникают трудности с проводом линий электропередач.

Ниже описан возможный вариант уличного фонаря с использованием солнечной батареи, его комплектация ,описания основного оборудования и возможная стоимость.

1.      Принимается, что для создания средней освещенности 100 лк на каждый квадратный метр площади освещаемого помещения требуется удельная мощность  16 - 20 Вт

.        Находится удельная мощность для требуемого уровня освещенности:

, (6)

где Е - требуемая освещенность, в лк.

3.      Определяется общая требуемая мощность ламп Ртр:

, (7)

где  - площадь освещения.

4.      Задается мощность используемой лампы Рлампы.

5.      Определяется количество ламп,

. (8)

Пример расчета

1.      Объектом расчета будет являться площадью 16 м². ОсвещенностьЕ=75 лк.

2.      Принимаем, что удельная мощность Руд=20 Вт/м².

.        Удельная мощность для требуемого уровня освещения:

 Вт/м².

4.      Общая требуемая мощность ламп Ртр:

Вт.

Рабочие схемы проекта с описанием используемого оборудования.

Рисунок 20. Модель уличного фонаря с использованием солнечной батареи

Уличный фонарь с использованием солнечной батареи состоит из трех основных частей:

. Светодиодный светильник: SVETECO.

. Солнечный элемент: ТСМ-180.

. Аккумулятор: RA12-100DG.

Дополнительные устройства:

. Инвертор

Светодиодный уличный светильник SVETECO-96/13248/160/Ш (Стоимость-150000 тенге)

Многофункциональный уличный светодиодный светильник SVETECO-96/13248/160/Ш, СВЕТЕКО-96/13248/160/Ш для освещения автомобильных дорог, городских улиц, парков, а также территории предприятий. Предназначен для замены уличных светильников ЖКУ-400. Модель SVETECO 96/13248/160/Ш является на данный момент самым оптимальным вариантом для освещения автомагистралей, обладая "правильной" широкой уличной диаграммой (с шагом установки опор освещения 40 метров) и равномерно освещая проезжую часть.

Рисунок 21. Светодиодный уличный светильник SVETECO-96

Технические характеристики:

питание от сети переменного тока: напряжением (220 ± 22); частотой (50 ± 2) Гц;

защита от перенапряжения: до 1000 Вольт;

потребляемая мощность:160 Вт;

светоотдача с одного светодиода: 138 Люмен (Лм);

количество светодиодов: 96 шт.;

световой поток: 13248 Лм;

температура свечения: 5000-5500 К;

габаритные размеры ВхДхШ: 120х519х360 мм;

масса: 12.5 кг;

степень защиты: IP67;

рабочая температура: от -63 до +60°С.

Конструкция: Цельнометаллический алюминиевый профиль с защитным штампованным кожухом из листовой стали. Алюминиевый корпус светильника с высокой площадью теплоотвода, позволяет обеспечить комфортный температурный режим работы светодиодов и электронных компонентов, что обеспечивает непревзойденный режим работы в 70 000 часов (20 лет).

Система вторичной оптики S-optics позволяет правильно направить световой поток на освещаемую поверхность. В светильниках Sveteco 96 применяется широкая уличная диаграмма. При этом не тратится лишняя энергия на освещение не нужных зон. На автотрассе применение светильников Sveteco 96 со вторичной оптикой позволяет добиться равномерной засветки дорожного полотна: светло под светильником и темно между опорами.