CC BY
45
УДК 621.311.11 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-80-83
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ НАСОСНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ ВОДЫ В ПУСТЫННЫХ РАЙОНАХ ИРАКА
USING SOLAR PUMP SYSTEMS FOR PUMPING WATER IN DESERT
REGIONS OF IRAQ
© 2015 г. Ибрахим Ахмед Халид, Мохаммед Камил Али Гази
Ибрахим Ахмед Халид - мл. преподаватель, машиностроительный факультет, инженерный колледж, Мосульский университет, аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Мохаммед Камил Али Гази - мл. преподаватель, машиностроительный факультет, инженерный колледж, Мосуль-ский университет, аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: aagg mmkk@yahoo. com
Ibrahim Ahmed Khalid - assistant lecturer in mechanical engineering department, College of Engineering/Mosul University, post-graduate student, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: ahmednewmosul@ yahoo.com
Mohammed Kamil Ali Ghazi- assistant lecturer in mechanical engineering department, College of Engineering/Mosul University, post-graduate student, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: aaggmmkk @yahoo.com
Представлены технологии использования системы подкачки воды в климатических условиях Ирака. Используя фотопреобразователи для производства электроэнергии, можно грунтовые воды подавать в удаленные и засушливые места, в которых нет электрических сетей. Эти воды предназначены для использования в быту, животноводстве и в орошении. В работе анализируются преимущества использования воды солнечных насосных систем, которые работают на солнечной энергии, чтобы снизить темпы опустынивания земли из-за глобального потепления и отсутствия осадков.
Ключевые слова: фотоэлектрические насосные системы; фотоэлементы; солнечная радиация; мощность; сельское хозяйство в пустынных районах.
The article presents the technology of photovoltaic water pumping systems (PVWPS) where is constitute a potential option to draw down water in the remote desert locations for domestic usage and livestock watering According to the weather conditions in Iraq and explore the benefits of using water pumping systems that run on solar energy to reduce the rate of desertification due to global warming and the lack of rain.
Keywords: photovoltaic water pumping systems (PVWPS); photocells; solar radiation; power; agriculture in the desert areas.
Солнечную энергию можно представить как свет, проявляющий свое влияние на температуру среды. Человек использует солнечную энергию для своих целей в течение длительного времени и применяет много способов для развития технологии энергопитания. Такие технологии «солнечной энергии» позволяют эффективно обеспечивать отопление или процесс
превращения этой энергии в движение и электроэнергию. Это помогает решать проблемы энергетики в наше время.
Солнечную энергию можно преобразовать в электрическую или тепловую, используя следующие способы.
- фотоэлектрическое преобразование;
- тепловое преобразование - солнечной радиации сразу в электроэнергию с помощью фотопреобразователей;
- полупроводниковые приборы на основе кремния, германия и других материалов, которые способны высвобождать электроны из атомов этих металлов [1], как показано на рис. 1.
сосы, работающие на солнечной энергии, избавлены от всего этого. Использование солнечных насосов в развитых странах имеет большую экономическую эффективность, особенно в удалённых районах.
Рис. 1. Поперечный разрез PV ячейки (PV- фотопреобразователь)
Очевидно, что нефтяные запасы Ирака могут быть использованы только в ближайшие 100 лет [2]. Поэтому стоит задача разработать другой вид энергии, способный заменить нефть. Эти технологии должны будут способствовать уменьшению засухи в южных приэкваториальных странах. В этих странах, и особенно в Ираке, требуется подкачка воды. Во многих местах нет электричества, особенно в селах и на фермах, поэтому подача воды на эти объекты обходится дорого. Это обстоятельство особенно ярко проявляется в сельском хозяйстве [3]. Из наиболее важных факторов, которые создают общественный фон в иракской среде, можно назвать следующие:
- расширение зоны опустынивания в засушливых регионах (площади опустынивания около 70 % сельскохозяйственных земель), требующих орошения;
- почти 72 % сельскохозяйственных земель, получающих воду от дождя;
- 90 % пастбищ, обедненных водой вследствие изменения климата и плохого управления в водном секторе.
В большинстве этих мест существуют запасы подземной воды, но также имеется длительный период солнечных дней. Использование насосов, которые работают на солнечной энергии, очень выгодно, так как они могут превратить засушливые районы в плодородные. На рис. 2 показаны регионы, пригодные для сельского хозяйства и животноводства. Отличие такого типа насосов в том, что они работают на экологически чистой, бесплатной, бесконечной энергии, в отличие от других традиционных источников, таких как уголь, нефть и газ.
По сравнению с насосами, работающими от дизельных двигателей, которые загрязняют природу и потребляют много топлива, как показано на рис. 3, а также требуют технического обслуживания из-за их частых поломок и имеют короткий срок службы, на-
Рис. 2. Пустынные районы в Ираке
Эти системы используются для скотоводства во многих странах, таких как Австралия, Канада, США и Мексика [4].
1000
й « 900
О 800
н Л 700
и ^ £ 600
й О
4 5 "ö 500
м О 400
о О ;,н<>
и й 200
Л О
о о н 100
ft 0
ю
я
m
888
500
85
т —
нефть газ фотоэлемент
Топливо-Источник
Рис. 3. Сравнение загрязнения окружающей среды, вызванного
диоксидом углерода С02 от различных источников
Солнечные батареи также можно применять для работы электрических сетей. Тогда отпадет необходимость в использовании неэкологичных тепловых и атомных электростанций. Для этого необходимо иметь широкие площади для установки солнечных батарей, количество установок зависит от объемов подаваемой воды. Расширенный анализ литературных источников показывает, что в мире существует много примеров использования гелиоустановок, и особенно в арабских странах, географическое положение которых сходно с Ираком, для получения лучшего результата и меньших затрат. Предоставляются широкие возможности для использования ресурсов различных возобновляемых первичных источников энергии -солнца, ветра, биомассы и других [5]. Как показано на рис. 4, в климатических условиях Ирака наблюдаются повышенные температуры воздуха, способствующие
образованию засухи. Среднемесячное выпадение осадков в стране в летнее время не наблюдается (рис. 5).
40
35
о 30
о
г, 25
а.
20
-
я
а.
о 15
с
?
« 1(1
!г-
35 35 аз
J8 / — 3 1
\25
1 ъ/ \1 /
1 9 1 \ 1
янв. февр, март, апр. май. июнь июль аег. сент, окт. нояб, дек.
Месяцы
Рис. 4. Среднемесячные значения температуры воздуха в Ираке
й о
CD
18----- 17
\ 15 /
\ V /
\ У
\9 /
/
V /
/
\ 2 /
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
янв. февр. март. апр. май. июнь июль авг. сент. окт. нояб. дек.
Месяцы
Рис. 5. Среднемесячные осадки в Ираке
Под солнечными насосами понимается процесс превращения солнечных лучей в электроэнергию с помощью фотопреобразователей, и затем использование этой энергии для приведения в работу насоса подкачки грунтовой воды из скважины. Как показано на рис. 6, такие солнечные установки можно использовать для подачи пресной воды в отдаленные места, туда, где нет центрального электроснабжения и источников воды.
Устройства
тропроводящими слоями. С 1941 г. применяются солнечные ячейки, выполненные из кремния, изобретенные американским ученым Расселом Уэльсом [6]. С тех пор типы солнечных ячеек преобразования солнечной энергии в электрическую постоянно совершенствовались, сейчас выделяют три основных вида:
- монокристаллические кремниевые ячейки (Monocrystalline), выполнены из монокристалла кремния, эффективность этих ячеек от 11 до 16 %;
- кремниевые ячейки множественной кристаллизации (Multy Crystalline) - это кремниевые чипы, которые соскабливаются с цилиндрических кристаллов кремния и обрабатываются химически в печах. Поверхность ячеек затем покрывается антибликовым материалом для поглощения солнечных лучей с большой эффективностью. КПД поглощения доходит до 9 - 13 %. Стоимость производства этих ячеек дешевле по сравнению с ячейками первого типа;
- аморфные ячейки, или тонкая плёнка ячеек (amorphous), в ней кремний осаждается в виде тонких слоев на поверхностях из стекла или пластика, поэтому производство этих ячеек проще, но их эффективность меньше на 3 - 6 %. Стоимость также низкая. Они используются для применения в установках малой мощности (40 ватт и меньше). На рис. 7 показаны эти типы солнечных ячеек.
Рис. 6. Солнечные насосные системы для откачки воды
Солнечные батареи (1, рис. 6) - это фотопреобразователи, которые превращают прямой солнечный свет в электричество. Они выполнены из светочувствительных полупроводников, покрытых двумя элек-
Рис. 7. Типы солнечных ячеек
Насосы (2, рис. 6) можно разделить на три типа:
- Погружные насосы, которые используются для подкачки воды из глубоких скважин.
- Поверхностные насосы - для подкачки воды из рек и водохранилищ.
- Плавающие - для подкачки воды из озёр и водоемов, в которых отсутствует течение.
По конструкции насосы можно разделить на центробежные, винтовые и поршневые. Выбор подходящих насосов в солнечных системах зависит от количества требуемой воды и высоты водяного столба.
Двигатели (3, рис. 6) могут работать на постоянном или переменном токе. На постоянном токе они работают при прямом подключении к фотопреобразователю, а на переменном используется аппарат, который преобразовывает постоянный ток солнечных батарей в переменный.
Устройства управления (4, рис. 6) применяются при наличии двигателя переменного тока, чтобы сохранить его от перепадов напряжений, которые возникают при преобразовании солнечной энергии в электрическую. Устройства управления отключают
насосы при обезвоживании скважины или заполнении резервуара водой.
Проблемы использования солнечной энергии и их недостатки:
1. Наличие пыли во многих районах Ирака требует устройств для чистки солнечных коллекторов: иначе эффективность снижается до 50 %. Чистку следует проводить один раз как минимум в течение месяца. Лучше использовать непрерывные методы чистки, т. е. с интервалом не более трёх дней.
2. Солнечная энергетика требует использования аккумуляторов. Аккумуляция возможна различных типов, в зависимости от характера и количества солнечной энергии и её использования. Тема сохранения энергии нуждается в научном исследовании и обосновании. В настоящее время сохранение тепла можно проводить с применением жидких и твердых теплоносителей (с помощью воды и камней).
3. Не менее важно появление коррозии в солнечных коллекторах из-за солей, присутствующих в воде отопительных циклов и во влаге атмосферного воздуха.
Литература
1. Onyegama E.U., Sarkarb D., Hilalia M., Sahab S., Raob R.A., Mathewb L. Exfoliated, thin, flexible germanium heterojunction solar cell with record FF = 58.1% [Электрон-
ный ресурс] / // Solar Energy Materials and Solar Cells. April 2013. Vol. 111. P. 206-211.-URL: http://www. sciencedirect. com/science/article/pii/S0927024813000068 (дата обращения: 02.01.2013).
2. Wong Y.W., Sumathy K. Solar thermal water pumping systems: a review [Электронный ресурс] / Renewable and Sustainable Energy Reviews. September 1999. Vol. 3. No. 2-3. PP. 185-217.-URL: http://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S1364032198000185 (дата обращения: 10.02.2013).
3. Kala M., Steven F., Sadrul U. Solar photovoltaic water pumping for remote locations [Электронный ресурс] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. February 2008. Vol. 12. No. 2. P. 472-487.-URL: http://www.science direct.com/science/article/pii/S1364032106001237(дата обращения :13.01.2013).
4. Kala M., Sadrul U., Steven F. Solar photovoltaic water pumping - opportunities and challenges [Электронный ресурс] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. May 2008. Vol. 12. No. 4. P. 1162-1175.-URL: http://www. sciencedirect. com/ science/article/pii/S1364032106001584 (дата обращения: 20.01.2013).
5. Ghoneim A.A. Design optimization of photovoltaic powered water pumping systems [электронный ресурс] // Energy Conversion and Management. July 2006, Vol. 47. No. 1112. P. 1449-1463.-URL: http://www.sci encedirect.com/ science / article/pii/S0196890405002104 (дата обращения: 15.03. 2013).
6. Rohella R.S. Harnessing electrical energy through solar cell concentrators [Электронный ресурс] // Akshay Urja Renewable Energy. August 2013, Vol. 7, I. 1. P. 29-32. URL: http://mnre .gov.in/ file-manager/akshay-urj a/j uly-august-2013/ EN/29-32.pdf (дата обращения :13.02. 2014).
References
1. Onyegama E.U., Sarkarb D., Hilalia M., Sahab S., Raob R.A., Mathewb L. Exfoliated, thin, flexible germanium heterojunction solar cell with record FF=58.1%. Solar Energy Materials and Solar Cells. April 2013, Vol. 111, pp. 206-211. Available at: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024813000068 (accessed 02.01.2013).
2. Wong Y.W., Sumathy K. Solar thermal water pumping systems: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. September 1999, Vol.3, No.2-3, pp. 185-217. Available at: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032198000185 (accessed 10.02.2013).
3. Kala M., Steven F., Sadrul U. Solar photovoltaic water pumping for remote locations. Renewable and Sustainable Energy Reviews. February 2008, vol.12, no. 2, pp. 472-487. Available at: http://www.science direct.com/science/article/pii/ S1364032106001237 (accessed 13.01.2013).
4. Kala M., Sadrul U., Steven F. Solar photovoltaic water pumping - opportunities and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews. May 2008, vol.12, no. 4, pp. 1162-1175. Available at: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S1364032106001584 (accessed 20.01.2013).
5. Ghoneim A.A. Design optimization of photovoltaic powered water pumping systems. Energy Conversion and Management. July 2006, vol. 47, no. 11-12, pp.1449-1463. Available at: http://www.sci encedirect.com/science/article/pii/S0196890405002104 (accessed 15.03. 2013).
6. Rohella R. S. Harnessing electrical energy through solar cell concentrators. Akshay Urja Renewable Energy. August 2013, vol. 7, I. 1, pp. 29-32. Available at : http://mnre.gov.in/file-manager/akshay-urja/july-august-2013/EN/29-32.pdf (accessed 13.02. 2014).
Поступила в редакцию 27 мая 2014 г.
