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

По сравнению с другими видами энергетики солнечная энергетика в целом является одним из наиболее чистых в экологическом отношении видов энергии. Однако избежать полностью вредного воздействия солнечной энергетики на человека и окружающую среду практически не удается , если учесть всю технологическую цепочку от получения требующихся материалов до производства электроэнергии.

Наиболее характерны в этом аспекте СФЭУ (солнечные фотоэлектрические установки и станции), эксплуатация которых наносит минимальный вред окружающей среде. В то же время производство полупроводниковых материалов является весьма экологически и социально опасным.

В связи с этим в ряде стран мира (например, в США) существуют весьма жесткие требования:

к производству полупроводников для СФЭУ;

хранению, транспортировке и ликвидации вредных веществ от производства СФЭУ;

ограничения контактов персонала с этими веществами, разработка планов действия в случае аварийных или нештатных технологических ситуаций;

программы ликвидации отходов производства, отработавших свой срок или забракованных СФЭУ[23].

Наиболее опасны в этом отношении кадмий (Cd), а также Ga, As и Те. Сегодня наиболее изучено вредное воздействие кадмия на здоровье человека и даже введены запреты на использование в бытовых условиях его соединений (например, на микробатарейки и аккумуляторы на его основе). Длительное выжигание паров кадмия могут вести к легочным или бронхиальным заболеваниям и даже летальному исходу. Постоянное воздействие малых доз кадмия ведет к его накоплению в почках и их заболеванию. При этом также наблюдаются заболевания легких, размягчение и деформация костного состава скелета.

Весьма токсичны и некоторые соединения селена. Например, SeO2 - отрицательно влияют на органы дыхания. Испытания отработавших свой срок или отбракованных СМ на основе CuInSe2 и СвЕу показали, что если первые из них удовлетворяют требованиям американского агентства по защите окружающей среды, то вторые - нет, так как уровень кадмия в них оказался в 8-10 раз больше допустимых норм. Как следствие этого - выработавшие свой ресурс СМ на основе CdTe возможно будут теперь классифицироваться как потенциальные ядовитые отходы и по возможности возвращаться к их изготовителям (аналог проблем отработавших с ТВЭЛами на АЭС) [24].

Иными словами, фактическая наибольшая социально-экологическая опасность для СФЭУ связана, в основном, с производством некоторых СФЭУ, в ходе которого происходит переработка значительного количества вредных веществ для здоровья человека и окружающей среды. Подобное производство, очевидно, должно быть полностью автоматизированным и размещаться на значительном удалении от населенных пунктов. Должны быть приняты и специальные меры защиты самого производства. Что же касается эксплуатации СФЭУ, то она практически безопасна.

Перспективным считается также и применение химического взаимодействия кремния с четырехфтористым кремнием. При этом реализуется извлечение кремния из расплава, его очистка и химическое осаждение из паровой фазы в течение одной стадии технологического процесса [25].

Современные методы получения пластин и листов кремния весьма многочисленны. Основные усилия здесь направлены на оптимизацию путей создания поликристаллического и монокристаллического кремния, обладающего наиболее высоким КПД.

Стандартный технологический процесс, позволяющий получать монокристаллический солнечный элемент диаметром до 7,6 см, основан на выращивании кристаллов методом Чохральского с последующей резкой пластин с помощью алмазных лент и их шлифовкой абразивным порошком, что является весьма вредным для здоровья человека (кремниевая пыль, кадмиевые и арсенидные соединения).

Таким образом, для солнечной фотоэнергетики наиболее вредным для человека и окружающей среды является технологический процесс получения солнечный элемента, их хранение и утилизации. Для повышения экономичности это производство должно быть крупномасштабным, что требует больших капитальных и материальных затрат. Необходимо также учитывать и работы по разведыванию и добыче кремнезема, а также неизбежное изъятие земель из хозяйственного производства при этом.

Среди других аспектов отрицательного влияния солнечной энергетики на социально-экологические условия в стране следует отметить следующее.

СЭС достаточно землеемки из-за весьма рассеянного характера поступления СИ на Землю. Для сравнения с другими типами энергетических установок в таблице 3 приведены экспертные оценки их землеемкости. Из нее следует, что получение 1 МВт на БСЭС требуется 1,1 га земли, на СФЭУ - oт 1,0 до 1,6 га, а на солнечных прудах - до 8 га, что весьма ощутимо для обжитых регионов любой страны. Сами СЭС заметно материалоемки (металл, стекло, бетон и т.д.).

При эксплуатации солнечных прудов велика опасность загрязнения почвы и подземных вод химически активными растворами солей.

При эксплуатации БСЭС, а также СФЭС происходит заметное изменение климатических условий в данном месте. В том числе: изменение почвенных условий, растительности, циркуляции воздуха и т.д. из-за затенения поверхности, с одной стороны, и нагрева воздуха, с другой. Из-за последнего меняется тепловой баланс влажности воздуха, направление и величина ветров. Для СЭС с концентраторами СИ велика опасность перегрева и возгорания самих систем получения энергии от СИ [26].

Применение низкокипящих жидкостей и их неизбежные утечки в СЭС могут привести к загрязнению почвы по земной и даже питьевой воде в регионе. Особо опасны жидкости, содержащие нитриты и хроматы, которые являются весьма токсичными веществами.

Низкий коэффициент преобразования СИ в электроэнергию ведет к появлению проблем, связанных с охлаждением конденсата. При этом тепловые выбросы в атмосферу на СЭС более чем в два раза превышает аналогичный сброс от ТЭС.

Для учета отрицательного влияния различных типов энергоустановок на окружающую среду в настоящее время предложено несколько различных методик и подходов. солнечный электроэнергетика станция казахстан

В качестве примера в таблице 4, представлены значения, так называемого штрафного экологического балла для различных видов используемого источника энергии, который дает возможность некоторого безразмерного количественного учета их отрицательного влияния на окружающую среду.

Эти баллы были рассчитаны с учетом следующих факторов воздействия на окружающую среду: глобальное потепление, истощение озонового слоя, закисление почвы, эутрофикация (снижение содержания кислорода в воде), загрязнение тяжелыми металлами, эмиссия канцерогенных веществ, формирование зимнего смога, летнего смога, наработка промышленных отходов, радиоактивных отходов, выбросы радиоактивности, а также истощение источников энергии.

Чем большее количество баллов получал каждый способ производства электричества, тем большее вредное воздействие на окружающую среду он оказывает [37].

В таблице 5 приведены значения некоторых ключевых для окружающей среды эмиссий, рассчитанных по полному циклу производства электричества, для разных источников энергии, используемых для получения электроэнергии на разных типах электростанций.

Из приведенных в таблицах 4 и 5 данных следует, что СФЭУ, а также солнечные тепловые станции обладают заметными преимуществами по сравнению с традиционными типами электростанций, использующими невозобновляемые источники энергии.

Однако, как это и было сказано выше, в целом отрицательное влияние технических устройств солнечной энергетики на человека и окружающую среду намного меньше, чем у других видов энергетики и, особенно, традиционных АЭС, ТЭС и ГЭС.

Заключение

Солнечная электроэнергетика имеет большой потенциал развития и является одним из наиболее актуальных сегментов энергетики. За 26 лет установленная мировая мощность возросла с 21 МВт до 39778 МВт. Такое увеличение мощности связанно с усовершенствованием и удешевлением способов переработки прямой солнечной энергии в электрическую. Согласно прогнозу, по сравнению с 2010 годом к 2100 году ожидается рост доли солнечной энергетики от минимума до 60% и более.

Солнечной электроэнергетика в Казахстане является стратегический важным сегментом энергетической системы страны.

В послании народу президент страны Нурсултан Назарбаев поставил задачу создать инновационные и передовые производства в республике. Одним из таких направлений должно стать развитие солнечной энергетики. На протяжении трех лет Казахстане ведется особо активная деятельность по освоению потенциала солнечной энергии.

В соответствии со Стратегическим планом развития Республики Казахстан до 2020 года доля солнечной электроэнергии в общем объеме электропотребления должна составить 1,5% к 2015 году, и более 3% - к 2020 году (для сравнения, в ЕС - 20%, в России - 4,5%). Приоритеты, поставленные Государственной программой по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан на 2010-14 годы, предусматривают достижение объема вырабатываемой солнечной электроэнергии в 2014 году на уровне 1 млрд. кВт/ч в год. Согласно Программе по развитию электроэнергетики в Республике Казахстан на 2010-14 годы, выработка электроэнергии в 2014 году до 97,9 млрд. кВт/ч при прогнозном потреблении 96,8 млрд. кВт/ч.

Казахстан обладает большим потенциалом в области солнечной электроэнергетики: 265 млн. тонн кварцитов и 65 млн. тонн высокочистого кварца, объем производства отечественного галлия - 22 т, ежегодно производится около 2 тысяч тонн триоксида мышьяка .Количество солнечных дней в год составляет 125-160, энергия солнечного излучения равняется 1,300-1,800 кВт/м2/год. 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%.

Для обоснованного объекта исследования солнечной электроэнергетики Казахстана, прослеживаются положительные тенденции.

Первая очередь промышленной солнечной электростанции "Отар" введена в эксплуатацию в январе 2013 года в Жамбыльской области мощность первой очереди составляет 504 кВт. планируется довести мощность объекта до проектного значения 7 МВт. Окупаемость не более 10 лет.

Солнечные батареи установили на крыше Евразийского национального университета им. Л. Гумилева в Астане. При мощности 10 кВт батареи обеспечивают энергией несколько аудиторий университета.

В Астане запущен завод по производству фотоэлектрических модулей. На новом заводе будут выпускаться солнечные батареи на основе 100-процентного казахстанского кремния. Проектная мощность планируемых к выпуску фотоэлектрических пластин составит 50 Мвт с расширением в перспективе до 100 Мвт. модули обладают КПД 15,36% и имеют срок службы 20 лет. Сырьём для производства послужит казахстанский кремний KazPV, который будет проходить очистку и обработку в городе Усть-Каменогорске.

Один из возможных вариантов применения солнечной электроэнергии - фонарь уличного освещения на фото модулях. Уличный фонарь состоит из трех основных частей

светодиодный светильник: SVETECO-96 - 150000 тенге.

солнечный элемент: ТСМ-180 - 165000 тенге.

аккумулятор: RA12-100DG - 50000 тенге.

инвертор -4500 тенге.

Для организации освещения на участке протяжённостью 1000 метров потребуется 50 светильников с шагом установки опор 40 метров.

Пример расчета.

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

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

Удельная мощность для требуемого уровня освещения:

 Вт/м².

Общая требуемая мощность ламп Ртр:

Вт.

Стоимость одного светильника, без учёта дополнительного оборудования (модемов, фотореле и дополнительных устройств) равна365000 тенге. Стоимость светильников на один километр дороги равна 18250000 тенге.

При цене 18 тенге за киловатт час затраты на электропотребления классического фонаря уличного освещения напряжением 220 вольт и потребляемой мощностью 240 ват работающего 12 ч в сутки в месяц затрачивается (0.24×12ч×30д×18т за кил час)=1555 тенге в месяц. За год затрачивается 18662 тенге. Таким образом, проект уличного освещения окупится только через 15 лет (с учетом сегодняшних цен на фотоэлементы).

В предлагаемой системе освещения экономия происходит за счёт:

автоматизированной системы управления;

отсутствия расходов на электроэнергию;

использования светодиодных светильников.

Освещение с применением солнечных батарей дороже существующих классических фонарей уличного освещения в несколько раз. Это обусловлено в первую очередь применением передовых технологий и соответственно более высокой стоимости оборудования.

На основании полученных в дипломной работе результатов обосновываются следующие основные рекомендации по дальнейшему развитию солнечной электроэнергетики Республики Казахстан:

. Целесообразно продолжить и усиливать приток финансирования в данный вид электроэнергетики за счет привлечения отечественных и зарубежных частных инвестиций. Возможно, использования части мировых инвестиций направленных на электроснабжения транспортного коридора "Западная Европа - Западный Китай". Таким образом, можно частично решить проблемы электроснабжения за слет строительства в вдоль транспортного коридора солнечных электростанций, тем самым подготовить в Казахстане необходимую технологическую и ресурсную базу для полного использования солнечного потенциала страны.

. Необходимо наладить производство фотоэлементов и другого необходимого оборудования из отечественного технического сырья, непосредственно на территории страны.

. Усилить доверия населения страны к солнечной электроэнергетики, внедряя и поощряя использование частным сектором домашних солнечных электростанций.

. Обеспечить отрасль специалистами необходимого уровня знаний и соответствующей квалификации.

. Координирование и тесное сотрудничество с зарубежными специалистами в области солнечной энергетики.

Таким образом, задачи дипломной работы выполнены в полном объеме, дальнейшие исследования целесообразно проводить в направлении технического усовершенствования и увеличения КПД солнечных установок.

Список использованной литературы

1.      Новое десятилетие - новый экономический подъем - новые возможности Казахстана - Послание Президента РК Н.А. Назарбаева народу Казахстана. 29 Января 2010 год

.        Стратегическая программа Развития "Казахстан-2030"

.        Программа по развитию энергетической инфраструктуры в Республике Казахстан на 2010-2014 годы.

.        Энергетическая стратегия Республики Казахстан до 2015 года

.        [Электронный ресурс]-2012. URL: www.bp.com.

.        Тарнавский В. Солнечный круг [Электронный ресурс]-2011.URL:www.uaenergy.com.

7.      [Электронный ресурс]-2011. URL: (http://www.physicedu.ru/phy-270.html)

.        Жансеитов Р. Развитие мировой альтернативной энергетики и оценка ее влияния на нефтегазовую отрасль [Электрон. ресурс]. URL:www.airi.kz <C:\Users\pc\AppData\Local\Temp\www.airi.kz>.

.        Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии // - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008. - 224 с.

.        Шуткин О.И. Перспективы мировой энергетики [Электрон. ресурс]. - 2012. URL: <http://www.ng.ru/energy/sun_energy.html>.

.        Перспективы развития мировой энергетики [Электрон. ресурс]. - 2011. URL: <http://coolreferat.com>.

.        Возобновляемые источники энергии. Климатическая политика и права человека // С.-Петербург, Русско-Немецкое Бюро Экологической Информации, 2013. - 62 с.

.        Перспективы солнечной энергетики // Беседа корреспондента… с генеральным директором НПП КВАНТ Плехановым С.И. [Электрон. ресурс]. <URL:http://aenergy.ru>.