CC BY
10ЭКОЛОГИЯ И ЭНЕРГОРЕСУРСЫ
ПУСТЫНЬ
ECOLOGY AND POWER RESOURCES
OF DESERTS
Статья поступила в редакцию 05.10.13. Ред. рег. № 1813 The article has entered in publishing office 05.10.13. Ed. reg. No. 1813
УДК 621.383; 621.472
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ В ПАСТБИЩНЫХ ХОЗЯЙСТВАХ ЮГО-ВОСТОЧНЫХ КАРАКУМОВ
А.М. Пенджиев, Н.Г. Астанов
Заключение совета рецензентов: 07.10.13 Заключение совета экспертов: 08.10.13 Принято к публикации: 09.10.13
Туркменский государственный архитектурно-строительный институт Туркменистан, 744032, Ашхабат-32, м. Бекрова, Солнечный 4/1 Тел.: +(99312)37-09-50, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены экспериментальные исследования фотоэлектрического модуля для создания мобильной автономной энергетической станции в пастбищных хозяйствах юго-восточных Каракумов. Изучены климатические характеристики и радиационный режим солнечной энергий в юго-восточных Каракумах Туркменистана. Приведены вольтамперные характеристики при различных склонениях угла наклона фотомодуля, измерены температура нагрева поверхности фотопреобразователя и представлены уравнения регрессии и квадратичное отклонение результатов исследований.
Ключевые слова: солнечная энергетика, климатические характеристики, освоения пустынь, энергоэффективность, температура фотопреобразователя, юго-восточные Каракумы, пастбища, мобильная станция, уравнения регрессии, квадратичное отклонение.
RESEARCH OF PHOTO-ELECTRIC MODULES IN PASTURABLE ECONOMY
OF SOUTHEAST KARA KUM
A.M. Penjiyev, N.G. Astanov
Referred 07.10.13 Expertise: 08.10.13 Accepted: 09.10.13
Turkmen State Institute of Architecture and Construction Solnechny 4/1, m. Bekrova, Ashabad-32, 744032, Turkmenistan Tel.:+ (99312) 37-09-50, e-mail: [email protected]
Experimental investigations of photo-electric module for creating mobile independent power station in pasturable economy of southeast Kara Kum are considered in the paper. Climatic characteristics and radiating mode of solar energies in southeast Kara Kum of Turkmenistan are studied. Volt-ampere characteristics at various angle declinations a photo-module inclination are presented, temperature the photo-converter surface heating is measured, regression equations and quadratic deviation of the research results are presented.
Keywords: solar power, climatic characteristics, development of deserts, power efficiency, photo-converter temperature, southeast Kara Kum, pastures, mobile station.
Сведения об авторе: в 2004 году окончил Туркменский государственный педагогический институт им. С. Сейди, работает в сельской школе преподавателем физики, аспирант института солнечной энергии Академии наук Туркменистана по специальности «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии». Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, энергоустановки на основе альтернативных источников энергии. Публикации: около 10 научных работ.
Непес Гуртмурадовис Астанов
Введение
Часто, когда люди думают о засушливых землях, в голове у них возникают картины пустынь, враждебных условий для жизни, экономических трудностей и недостатка воды. Однако это совершенно ошибочные представления. При условии
хорошего управления, засушливые земли могут быть плодородными, могут поддерживать население, которое на них проживает и составляет треть человечества, а также обитающие растения и скот. Засушливые земли дают возможность жить и работать местному населению и предоставляют ощутимые выгоды на региональном и мировом
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (135) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
уровне. В силу ряда причин, таких как неэффективность рыночного механизма,
нерешительность инвестиционных инициатив, а также некоторых устойчивых мифов, выгоды, которые можно было бы получать от работы с засушливыми землями и населяющими их общинами, не реализуются в полной мере. Существует естественный риск и растущее беспокойство, что опустынивание подорвет зарождающиеся возможности, и мир потеряет тот потенциал засушливых земель, который они несут в себе [2,3].
Актуальность проблемы
Наращивание объемов производства
разнообразной сельскохозяйственной продукции, обеспечение в стране продовольственного изобилия - стратегический ориентир и важнейший приоритет проводимой Президентом Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедовым политики, направленной на укрепление экономической мощи в эпоху могущества, счастья и повышения благосостояния народа [1].
Приоритетным направлением здесь является внедрение передовых агротехнических,
технологических, научно-обоснованных методик возделывания высокоурожайных сельскохозяйственных культур с учетом почвенно-климатических условий каждого региона, семенной селекции и племенного животноводства [13].
Успешное решение продовольственной проблемы в стране во многом определяется повышением эффективности отгонного животноводства и дополнительным вовлечением в хозяйственный оборот огромных пастбищных территорий Туркменистана в пустынной зоне Каракумы [1].
Пустыня Каракумы - самая большая в СНГ и одна из крупнейших на Земле. Расположена она между предгорьями Копет-Дага, Карабиля и Бадхыза на юге, Хорезмской низменностью на севере, долиной Амударьи на востоке и руслом Западного Узбоя на западе. Протяженность Каракумов по параллели - около 800 км, по меридиану - около 450 км, общая площадь - более 350 тыс. км2. По особенностям геологического строения, почв рельефа, растительности ученые делят Каракумы на Заунгузские, или Северные, Низменные, или Центральные, и Юго-Восточные. Эти три крупные части отличаются одна от другой не только происхождением и природными условиями, но и степенью хозяйственного освоения, см. рис. 1 [2,3,13,21].
Опыт прошлых десятилетий показал неэффективность в большинстве случаев традиционных методов освоения пустынных пастбищ, основанных на принципах централизованного подвода ЛЭП, водопроводов, создания поселков. Из-за отсутствия эффективных методов
энерговодоснабжения в Туркменистане много пустынных пастбищ не освоены. Как правило, это районы с высокой минерализацией грунтовых вод. Более того, в силу сезонности использования водных источников и травостоя, отары овец вынуждены в течение года кочевать по пастбищам. А это ставит развитие овцеводства в полную зависимость от складывающихся природно-климатических условий и не позволяет создать надлежащие культурно-бытовые условия для чабанских бригад. Наблюдается отток работников из этой отрасли, что обостряет социальные проблемы в данных регионах, характеризующихся дефицитом рабочих мест [812,19,21-24].
Интенсивный выпас скота на обводненных территориях при многочисленных его перегонах без учета особенностей экосистемы приводит к безвозвратной потере значительных массивов пастбищ. Наблюдается резкое ухудшение экологической обстановки в пустынной зоне.
Как показывает практика, специфичность овцеводства в аридной зоне: низкая кормоемкость пастбищ, рассредоточенность потребителей, их малая энерговодоемкость и удаленность от культурной зоны, требует принципиально новых, научно обоснованных подходов, разработка которых является актуальнейшей проблемой настоящего времени.
Анализ состояния овцеводства и поиск выхода из сложившегося тяжелого положения приводят к мысли о необходимости базирования этой отрасли на принципах автономности путем замыкания её водоэнергетических и кормовых потребностей, в основном на местных ресурсах (энергия ветра, солнца, природного холода, биогаза, грунтовые воды, сбор осадков, травостой территории и т.д.) [17].
В 70-х годах учеными НПО «Солнце» Академии Наук Туркменистана под руководством Р. Байрамова была впервые выдвинута идея принципиально нового ведения овцеводческого хозяйства -автономного овцеводческого гелиокомплекса, в первую очередь предназначенного для пустынных и полупустынных районов земного шара. В этой связи выявление функциональных возможностей новой системы, её эффективности как в теоретическом, так и практическом плане приобретает особую актуальность [3].
С ростом научно-технических разработок в области фотоэнергетики большой интерес приобретает использование автономных мобильных солнечных электростанций для решения социально-бытовых условий чабанских бригад в отгонном животноводстве [21-23].
Большая часть территорий Туркменистана, около 80%, представляет собой пустынный ландшафт, где во многих местах отсутствуют источники централизованного энергоснабжения. Из-за низкой плотности населения, которое находится в
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (135) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
отдаленных районах, централизованное
энергоснабжение становится экономически нецелесообразным. Это лишает многих жителей поселков элементарных социально-бытовых условий. В некоторых местах проблему электроснабжения решают путем использования дизель-генераторных установок небольшой мощности, которые потребляют органическое топливо [2,3,23].
Однако при использовании подобных агрегатов появляется ряд проблем: необходимость завоза топлива на большие расстояния, что сказывается на стоимости эксплуатации, кроме того, при работе дизель-генераторов имеют место выбросы в окружающую среду, что отражается на экологической обстановке местности. Маломощные бензогенераторы имеют весьма низкий моторесурс 600-1500 ч, большой расход топлива 350500 гр/кВтч, высокий уровень шума и требуют при обслуживании и ремонте квалифицированных специалистов и ремонтной базы. Все это сказывается на эксплуатационных, капитальных затратах и увеличении вредных выбросов в окружающую среду
[5].
Туркменистан ратифицировал Рамочную конвенцию ООН по изменению климата в 1995 г., Киотский протокол - в 1998 г., а также Конвенции по биоразнообразию (1998 г.) и по борьбе с опустыниванием (1996 г.), полностью разделяя и поддерживая глобальные экологические усилия по предотвращению изменения климата, сформулированные в этих международных документах [1].
Целью данной статьи являются исследования фотоэлектрического модуля для создания мобильной автономной энергетической станции в пастбищных хозяйствах юго-восточных Каракумов. Для этого были изучены природно-климатические
характеристики и радиационный режим солнечной энергии в пастбищных хозяйствах юго-восточных Каракумов Туркменистана. Приведены исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) при различных склонениях угла наклона фотомодуля. Измерены температура нагрева поверхности фотопреобразователя и изменение коэффициента полезного действия. Все это нужно для разработки автономной мобильной станции, позволяющей выявить его истинные возможности, пути повышения эффективности и разработать методику оптимального проектирования, а также создания таких систем и проведения эксплуатационных испытаний с учетом возможности уменьшения выбросов вредных веществ в окружающую среду.
Использование безопасных энергосберегающих технологий и альтернативных энергоресурсов - один из способов сокращения парниковых газов (ПГ), влияющих на изменение климата. Приоритетным направлением снижения выбросов парниковых газов является использование возобновляемых источников энергии - солнца, ветра, геотермальных вод и т.д. С
использованием солнечной энергии в Туркменистане есть реальная возможность уменьшения выбросов СО2 и, следовательно, есть шанс внести свою лепту в глобальное смягчение изменения климата в мире [5,20-22].
Успешной реализацией данных программных задач может быть разработка и внедрение мобильных автономных солнечных энергетических станции небольшой мощности от 1 до 10 кВт.
1. Климатические характеристики пастбищ юго-восточных Каракумов
В аграрном секторе Туркменистана пастбищное животноводство играет важную роль. Около половины производимого в Туркменистане мяса приходится на долю мелкого рогатого скота. Следует особо подчеркнуть, что только из шерсти овец породы сарыжа можно изготовить прекрасные Туркменские ковры.
Климатические условия Туркменистана позволяют круглый год содержать скот на естественных пастбищах. Поэтому для обеспечения условий для чабанских пастбищ необходимо энергообеспечение круглый год. Однако самым трудным для выпаса скота и энергообеспечения является зимний период года. Этот период года характеризуется большой контактностью погодных условий (пасмурность, дождливость, выпадение снега, туманы и др.), уменьшением продолжительности солнечного сияния и дня. Периоды потепления и похолодания наступают неожиданно и резко. Зимой снежный покров образуется ежегодно несколько раз [5,13,20,21 ].
Продолжительность и периодичность выпаса овец зимой определяется, в основном, заснеженностью пастбищ, состоянием пастбищной растительности и текущими погодными условиями. Относительная мягкость и малоснежность зимы благоприятствуют зимнему выпасу скота. Но в отдельные дни зимы наличие мощного снежного покрова, иногда с ледяной коркой, сильных ветров и низких температур воздуха может вызвать длительный период пастбищной бескормицы и необходимость временного перевода скота на стойловое содержание. Поэтому учет метеорологических условий зимнего периода имеет большое практическое значение.
Неблагоприятными условиями для выпаса овец и использования солнечных фотопреобразователей на зимний пастбищах является: снежный покров определенной высоты и плотности, обледенение, сильный ветер, изморозь, низкие температуры воздуха, поземки, пыльные бури, туманы и интенсивные осадки.
Рациональное освоение ресурсов пустынь невозможно без соответствующего развития энергетической базы, без широкой электрификации всех процессов производства продуктов земледелия
100
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (135) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
ISJJli
и животноводства. Энергия нужна также для добычи различных полезных ископаемых и их промышленной переработки.
Особо нужно остановиться на осваиваемых территориях, которые находятся на значительном расстоянии от существующих крупных энергетических центров. Для них необходима малая энергетика с опорой на местные энергетические ресурсы. Для этого разрабатываются особые новые образцы электрического оборудования, удобного для применения в специфических условиях пустынь [812,19].
Важное место при освоении пустынь отводится широкому использованию энергии солнца и ветра, ресурсы которых в пустынях практически неисчерпаемы. Учеными доказана возможность превращения лучистой энергии солнца до 10% в тепловую и до 14% в электрическую при помощи фото- и термоэлементов [4,19-26].
В зоне юго-восточных Каракумов с учетом решения социально-экономических, экологических условий отгонного хозяйства можно в разы увеличить продуктивность пастбищ и рабочих мест.
2. Исследование климатических ресурсов юго-восточных Каракумов
Юго-восточная часть Туркменистана охватывает юго-восточные Каракумы, пески, степь и лежит в зоне очень сухой зоне см. рис. 1. Она богата термическими ресурсами. Среднегодовая температура воздуха высокая и достигает 18оС. Зимы очень мягкие с умеренными и слабыми морозами. Средняя температура самого холодного месяца (январь) 1,4-3,4 тепла. Число «вегетационных» зим достигает 80%. Абсолютная температура минимумов равна -13, -19оС. Лето сухое, жаркое. Температура воздуха в июне 29,4-32,4оС. Абсолютный максимум достигает 46-49оС. Средняя продолжительность безморозного периода составляет 231 день, изменяясь в пределах 208-244. Число дней со средней суточной температурой воздуха выше 10оС достигает 254. Сумма температур воздуха выше 10оС максимальна и равна в среднем 5590оС, изменяясь от 5300 у Атамурада до 5920 - Чаршанга [2,3,13,24-26].
Характерная черта климата юго-восточной части Каракумов отличается не только высокой температурой, но и продолжительностью солнечного сияния. В среднем за год она достигает 2800-3100 ч, в январе колеблется в пределах 100-150 и в июле -320-400 ч или 80-93% [20-24].
На рис. 2 приведен ход распределения восхода и захода солнца в юго-восточных Каракумах в течение года и регрессивная зависимость распределения. Длительность солнечного сияния: летом - 15, зимой
- 9 часов, статистическая обработка результатов уравнением регрессии и квадратичное отклонение составляет: захода у=-0,079х + 18,41, Я2=0,095; восхода у = 0,002х + 5,701, Я2=6Е-05. Число ясных дней - 166-185, число пасмурных дней - 45. Максимальное число дней пыльных бурь зарегистрировано в Юго-восточной части - 30-40 дней [2,3,13,24].
Рис. 1. Агроклиматические округа Туркменистана I - Нижнеамудариинский, II - Северо-Каракумский, III - Южно-Каракумский, IV - Закопетдагский, V - Мургабо-Тедженский, VI - Каракумский Юго-Восточный, VII - Предгорно-Горный [2] Fig. 1. Agroclimatic districts of Turkmenistan I - Nizhneamudariinsky, II - North Kara Kum, III - South Kara Kum, IV - Zakopetdagsky, V - Murgabo-Tedzhensky, VI - Kara Kum Southeast, VII - Predgorno-Gorny [2]
is
20
0
I 23 456784 10 11 13
Месяцы
Рис. 2. Распределения восхода и захода солнца в юго-восточных Каракумах Fig. 2. Sunrise and sunset distributions in southeast Kara Kum
На рис. 3 видна высота солнцестояния на 15 число месяца в юго-восточных Каракумах в течение года в зависимости от времени суток (6 часов 30 минут, 9 часов 30 минут, 12 часов 30 минут, 15 часов 30 минут, 18 часов 30 минут). Высота солнца в полдень не опускается ниже 26-32° в декабре и достигает 72-76о в июне [5-15,24].
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (135) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
70
■10
Месяцы
Рис.3. Высота солнцестояния в юго-восточных Каракумах в течение года на 15 число месяца по времени (6 часов 30 минут, 9 часов 30 минут, 12 часов 30 минут, 15 часов 30 минут, 18 часов 30 минут) Fig. 3. Height of solstice at southeast Kara Kum within a year on the 15th day of a month on time (6 hours of 30 minutes, 9 hours of 30 minutes, 12 hours of 30 minutes, 15 hours of 30 minutes, 18 hours of 30 minutes)
Результаты статистической обработки уравнением регрессии и квадратичное отклонение по времени суток составляет:
6 часов 30 минут: у= 0,198х + 6,261, R2= 0,009;
9 часов 30 минут: у= 1,089х + 27,29, R2= 0,065;
12 часов 30 минут: у= 1,168х + 38,13, R2= 0,046;
15 часов 30 минут: у= 0,312х + 23,04, R2= 0,007;
18 часов 30 минут: у= 0,056х + 1,711 , R2= 0,004.
В таблицах 1, 2 и графике на рисунке 4 приведены годовой и месячный приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе. Он составляет 146-154 ккал/см2 или 1699,4-1793 кВт/м2, годовые суммы рассеянной радиации при безоблачном небе составляют 3239 ккал/см2 или 372,3-453,9 кВт/м2. Незначительная нижняя облачность снижает поступление прямой солнечной радиации всего на 27-35% от возможной и, в то же время, увеличивает рассеянную радиацию на 25-40%. В результате при реальных условиях облачности годовой приход суммарной радиации уменьшается по сравнению с возможным на 13-19% и колеблется в пределах 145-163 ккал/см2 или 1687,71897,2 кВт/м2 [13,16-19,24].
В результате исследования технический потенциал незкопотенциальной гелиотехнической энергии в Туркменистане равен 1,4-109 т у.т. в год, при этом возможность сокращения выбросов СО2 может составить 3,4 Пг [5-10, 20-23 ].
Возможность применения солнечной энергии -это преобразование ее в тепловую, механическую и электрическую, использование ее в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской и минерализованной воды, для
сушки материалов и сельхозпродуктов, выращивания в теплицах сельскохозяйственных культур и т.п. [4,20,21].
3. Исследования солнечного
фотоэлектрического модуля
Мобильная солнечная энергетическая станция на базе фотопреобразователей представляют собой экологически чистые преобразователи энергии, причем срок службы составляет не менее 15-20 лет, они имеют высокую надежность, практически отсутствуют эксплуатационные расходы и, что не менее важно, не требуют квалифицированного обслуживающего персонала и ремонтной базы. Основным видом обслуживания является сезонная азимутальная корректировка положения фотоэлементов для более эффективной их работы и периодическая протирка их от пыли.
Солнечная энергетика - это самая быстрорастущая отрасль энергетики в мире с темпами роста 36% в год и объемом производства в 2011 г. 20,5 ГВт на 121 млрд. долл. США.
Основными и главными недостатками солнечных энергетических установок на основе фотоэлементов является зависимость их работы от времени суток и сезонных погодных условий, а также высокая стоимость и относительно низкий КПД (в среднем, 12-14%). Тенденция к снижению цен на сегодняшний день по многим зарубежным сведениям составляет не более 3-4 долларов за 1 Ватт [7,11,12,15,16,220,21].
Предварительные расчеты показывают, что себестоимость вырабатываемой солнечной энергии с помощью фотопреобразователей в среднем в 3 раза выше, чем на электростанциях. Кроме того, из-за суточных и сезонных колебаний солнечной радиации для непрерывной работы энергетической установки требуются различные дублеры - электрические аккумуляторы или дизель-генераторы. Все это еще более удорожает стоимость солнечных энергетических станций. Однако экономические расчеты показывают, что для отдаленных малонаселенных территорий Туркменистана они окупаются за 3-4 года.
В Центральных Каракумах была установлена автономная водоподъемная установка, работающая от солнечных фотопреобразователей установленной мощности (400-450) Вт [9,18,21]. С этой целью предварительно были проведены исследования ВАХ отдельных панелей различных зарубежных фирм (Япония, Россия, Иран). Ниже показан ВАХ солнечных модулей при различных плотностях радиации начиная от 100 до 1000 Вт/м2 и при температуре 25оС. Здесь же указаны выходные мощности при различных параметрах.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (135) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Исследования ВАХ и регрессивные характеристики с дополнительным освещением гелиостатом на поверхность японского модуля представлены на рис. 5. Результаты статистической обработки уравнением регрессии и квадратичное отклонение ВАХ без дополнительного освещения гелиостатом: у=-0,085х + 2,527, R2=0,398; с освещением гелиостатом у=-0,104х + 2,873, R2=0,516.
Таблица 1
Месячные и годовые суммы радиации (ккал/см2) в Юго-Восточных Каракумах
Table 1
Monthly and annual sums of radiation (kcal/cm2) at South-East Kara Kum
Технические показатели модуля составляют: площадь 8=0,37 м2; кпд теоретический пт=16%; кпд номинальный пн=10%; мощность номинальная Рн=35 Вт; напряжение холостого хода Цхх=21,7 В; ток короткого замыкания 1кз=2,74 А; напряжение рабочее ир=15,4 В; рабочий ток 1р=2,27 А.
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год Среднее
Прямая солнечная радиация S ккал/см2 8,4 9,7 10,6 13,4 20,2 23 22,8 22,6 19,6 16,6 11,2 7,5 185,6 15,46667
С.р. горизонт. Поверхность S1 ккал/см2 3 4,5 6 8,9 14,2 16,6 16,3 15,8 11,9 8,4 4,5 2,6 112,7 9,391667
Рассеянная радиация D ккал/см2 2,7 3,5 5,4 5,9 6 5,1 5,2 4,1 3,7 3,5 2,6 2,5 50,2 4,183333
Суммарная радиация Q ккал/см2 5,7 8 11,4 14,8 20,2 21,7 21,5 19,9 15,6 11,9 7,1 5,1 162,9 13,575
Отраженная коротковолновая радиация R ккал/см2 1,5 2,1 2,6 3,3 4,6 5 5 4,4 3,4 2,7 1,7 1,3 37,6 3,133333
Радиационный баланс = Q-R-Eэф Bk 4,2 5,9 8,8 11,5 15,6 16,7 16,5 15,5 12,2 9,2 5,4 3,8 125,3 10,44167
B 1,3 2,5 4,4 6,6 9,8 10,8 10,8 9,7 7,3 4,3 1,6 1 70,1 5,841667
B+ 2,7 3,9 5,8 7,7 11,1 12 12 11,1 8,8 5,9 3,2 2,3 86,5 7,208333
B- 1,4 1,4 1,4 1,1 1,3 1,2 1,2 1,4 1,5 1,6 1,6 1,3 16,4 1,366667
Альбедо поверхности A (%) 26 26 23 22 23 23 23 22 22 23 24 25 282 23,5
Рис. 4. Месячные и годовые суммы радиации (МДж/м2) где 5 - прямая солнечная радиация, поступающая на перпендикулярную к лучам поверхность (МДж/м2); Б1 - прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность (МДж/м2); й - рассеянная радиация (МДж/м2); О - суммарная радиация (МДж/м2); Р - отраженная коротковолновая радиация (МДж/м2)
Fig. 4. Monthly and annual sums of radiation ^J/m ) S - direct solar radiation arriving on a perpendicular surface to beams ^J/m2); S1 - direct solar radiation arriving on a horizontal surface ^J/m2); D - scattered radiation ^J/m2);
Рис. 5. Вольтамперная характеристика солнечного модуля с
гелиостатом и без него Fig. 5. Volt-ampere characteristic of the solar module with and without heliostat
Для подтверждения теоретических кривых были проведены экспериментальные исследования в условиях юго-восточной части Каракумов при плотности солнечной радиации 800 Вт/см2. Экспериментальные кривые располагаются немного ниже и незначительно отличаются от теоретических. Различие не превышает 5% при сравнении с
Q - total radiation (Ми/т2); R - reflected shortly wave radiation теоретическими ВАХ при плотности солнечной
(М^т2)
радиации 1000 Вт/м .
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (135) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Месячные и годовые суммы радиации (МДж/м2) Юго-В осточных Каракумах Monthly and annual sums of radiation (М J/m2) at Southeast Kara Kum
Таблица 2 Table 2
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год Среднее
Прямая солнечная радиация "s ч 2 и 351,96 406,43 444,14 561,46 846,38 963,7 955,32 946,94 821,24 695,54 469,28 314,25 7776,64 648,0533
С. р. горизонтальная поверхность оо 125,7 188,55 251,4 372,91 594,98 695,54 682,97 662,02 498,61 351,96 188,55 108,94 4722,13 393,5108
Рассеянная радиация "s s Q 113,13 146,65 226,26 247,21 251,4 213,69 217,88 171,79 155,03 146,65 108,94 104,75 2103,38 175,2817
Суммарная радиация 1 СУ 238,83 335,2 477,66 620,12 846,38 909,23 900,85 833,81 653,64 498,61 297,49 213,69 6825,51 568,7925
Отраженная коротковолно вая рад. "s s 62,85 87,99 108,94 138,27 192,74 209,5 209,5 184,36 142,46 113,13 71,23 54,47 1575,44 131,2867
m W - Pi à и о лан ба Bk <N 00 00 11,5 15,6 16,7 16,5 15,5 12,2 <N o\ OO 125,3 10,44167
m <N vo vo 10,8 10,8 o\ m - о" 7 5,841667
« о ади Рч B+ <N oon iW <N <N OO iw <N <N 86,5 7,208333
m Г03 <N <N 16,4 1,366667
Альбедо поверхности Е < vo <N vo <N m <N <N <N m <N m <N m <N <N <N <N <N m <N <N in <N 2 OO 2 23,5
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (135) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
4. Тепловой режим модулей солнечных батареей
Рабочая температура фотопреобразователей в условиях эксплуатации модуля устанавливается посредством теплообмена модуля солнечной батареи с окружающей средой.
В обычных плоских модулях теплообмен осуществляется как через освещаемую поверхность, так и через тыльную поверхность, для чего производится нанесение на них специальных терморегулирующих оптических покрытий и красок. В модулях с концентраторами, помимо этого, используются специальные охладители-радиаторы с разветвленной поверхностью и «тепловые трубы» для естественного отвода тепла от фотопреобразователей к радиаторам или устройствам принудительного отвода тепла посредством циркуляции теплоносителя. В общем случае тепловой режим определяется уравнением энергетического баланса фотопреобразователей [4,7,11,12,15,16,18].
Дальнейшим развитием этого перспективного направления одновременного повышения эффективности фотопреобразования и снижения рабочей температуры является применение селективных концентраторов или люминесцентных концентраторов, однако в настоящее время на практике они мало используются.
Экспериментальные исследования суточного изменения температуры воздуха солнечного модуля в летний период представлены на рис. 6.
gQ —*—Температура воздуха
50 5 40
л
е
3. 30
0 с
1 20 к
10
О
О 5 10 15 20
Время [нас|
Рис. 6. Изменение температуры воздуха и солнечного модуля в течения дня Fig. 6. Change of temperature of air and the solar module during a day
Список литературы
1. Бердымухамедов Г.М. Государственное регулирование социально-экономического развития Туркменистана. Том 1. А.: Туркменская государственная издательская служба, 2010.
2. Бабаев А.Г. Проблемы освоения пустынь.
Регрессивная зависимость и квадратичное отклонение поверхности фотомодуля составляет: у=1,584х + 23,18, R2=0,434; а наружного воздуха у=1,019х + 21,18, R2=0,666. Как видно из рисунка, максимальная температура поверхности
фотопреобразователя нагревается до 53оС при наружной температуре воздуха 40оС, при такой температуре напряжение понижается и, естественно, влияет на кпд фотопреобразователя.
Выводы
Из приведенных природно-климатических исследований на пастбищных регионах юго-восточных Каракумов следует, что существует реальная возможность использования солнечной энергии. Солнечную энергию можно преобразовать: в тепловую, механическую, электрическую, а так же применять в химических и биологических процессах. Солнечные установки могут найти применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах, опреснения морской и минерализованных вод, для сушки материалов и сельхозпродуктов, выращивания в теплицах сельскохозяйственных культур и т.п.
Теоретические кривые подтверждены экспериментальными исследования в условиях юго-восточной части Каракумов при плотности солнечной радиации 800 Вт/см2. Экспериментальные кривые располагаются немного ниже и незначительно отличаются от теоретических. Различие не превышает 5% при сравнении с теоретическими ВАХ при плотности солнечной радиации 1000 Вт/м2.
В дальнейшем на базе этих модулей планируется создание мобильной автономной солнечной энергетической станции для обеспечения электричеством чабанских домиков, рассчитанных на одну семью. Это позволит значительно улучшить социально-бытовые условия жителей отдаленных поселков, поскольку они могут пользоваться различными электробытовыми приборами (холодильник, телевизор, кондиционер, освещение, стрижка овец, электронасос, мобильные телефоны и др.). При этом не требуется сжигание органического топлива при выработке электроэнергии, а это значительно скажется на улучшении экологической обстановки местности и на экономических показателях.
References
1. Berdymuhamedov G.M. Gosudarstvennoe regulirovanie social'no-ekonomiceskogo razvitia Turkmenistana. Tom 1. А.: Turkmenskaa gosudarstvennaa izdatel'skaa sluzba, 2010.
2. Babaev A.G. Problemy osvoenia pustyn'.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (135) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Ашхабад: «Ылым», 1995.
3. Байрамов Р., Сейткурбанов С. Опреснение с помощью солнечной энергии. Под ред. В.А. Баума. Ашхабад: «Ылым», 1977.
4. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В. А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика. М.: МЭИ, 2008.
5. Пенджиев А.М. Изменение климата и возможности уменьшения антропогенных нагрузок / Монография. LAMBERT Academic Publishing, 2012.
6. Пенджиев А. М. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в Туркменистане // Пробл. осв. пустынь. 2005. №2.
7. Пенджиев А.М., Астанов Н.Г., Пенжиев М.А. Использование солнечно-энергетических установок в заповедных зонах Туркменистана для улучшения аридной экосистемы. // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 12. С. 26-32.
8. Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Энергосбережение пустынных пастбищ Туркменистана // Международный научно-практический журнал «Проблемы освоения пустынь». 2006. № 3. С. 56-59 .
9. Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б.Д. Водоснабжение в пустыне Каракумы с использованием фотоэлектрической станции // Мелиорация и водное хозяйство. 2007. № 2. С. 50-51.
10. Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б. Д. Основные условия и факторы развития фотоэнергетики в Туркменистана // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 7. C. 62-66.
11. Пенджиев А.М. Механизм чистого развития: приоритеты энергоэффективность в Туркменистане // Ашхабад: экономика золотого века Туркменистана. 2007. № 7. С. 22-29.
12. Пенджиев А.М. Астанов Н.Г. Исследования ВАХ солнечных фотоэлектрических модулей для создания мобильной автономной энергетической станции в пастбищных хозяйствах юго-восточного Туркменистана // Материалы Международного научно-практического форма «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона». Из-во ТОГУ. 2013.
13. Пенджиев А. М. Агротехника выращивания дынного дерева (Carica papaya L.) в условиях защищенного грунта в Туркменистане // Автореферат диссертации на соискание уч. степени доктор сельхоз. наук. М. 2000.
14. Пенджиев А.М. Энергоэффективность использования ветроустановок в пастбищных регионах Туркменистана // Труды 6-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». Часть 4. М.: ГНУ ВИЭСХ. 2008. С. 314-322.
15. Пенджиев А.М. Ожидаемая эколого-экономическая эффективность использования фотоэлектрической станции в пустынной зоне Туркменистана // Альтернативная энергетика и
Ashabad: «Ylym», 1995.
3. Bajramov R., Sejtkurbanov S. Opresnenie s pomos'ü solnecnoj energii. Pod red. V.A. Bauma. Ashabad: «Ylym», 1977.
4. Vissarionov V.I., Derügina G.V., Kuznecova V.A., Malinin N.K. Solnecnaa energetika. M.: MEI, 2008.
5. Pendziev A.M. Izmenenie klimata i vozmoznosti umen'senia antropogennyh nagruzok / Monografia. LAMBERT Academic Publishing, 2012.
6. Pendziev A.M. Perspektivy ispol'zovania vozobnovlaemyh istocnikov energii v Turkmenistane // Probl. osv. pustyn'. 2005. №2.
7. Pendziev A.M., Astanov N.G., Penziev M.A. Ispol'zovanie solnecno-energeticeskih ustanovok v zapovednyh zonah Turkmenistana dla ulucsenia aridnoj ekosistemy. // Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2011. № 12. S. 26-32.
8. Pendziev A.M., Mamedsahatov B.D. Energosberezenie pustynnyh pastbis Turkmenistana // Mezdunarodnyj naucno-prakticeskij zurnal «Problemy osvoenia pustyn'». 2006. № 3. S. 56-59 .
9. Pendziev A.M., Mamedsahatov B.D. Vodosnabzenie v pustyne Karakumy s ispol'zovaniem fotoelektriceskoj stancii // Melioracia i vodnoe hozajstvo. 2007. № 2. S. 50-51.
10. Pendziev A.M., Mamedsahatov B.D. Osnovnye uslovia i faktory razvitia fotoenergetiki v Turkmenistana // Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2007. № 7. C. 6266.
11. Pendziev A.M. Mehanizm cistogo razvitia: prioritety energoeffektivnost' v Turkmenistane // Ashabad: ekonomika zolotogo veka Turkmenistana. 2007. № 7. S. 22-29.
12. Pendziev A.M. Astanov N.G. Issledovania VAH solnecnyh fotoelektriceskih modulej dla sozdania mobil'noj avtonomnoj energeticeskoj stancii v pastbisnyh hozajstvah ügo-vostocnogo Turkmenistana // Materialy Mezdunarodnogo naucno-prakticeskogo forma «Prirodnye resursy i ekologia Dal'nevostocnogo regiona». Iz-vo TOGU. 2013.
13. Pendziev A.M. Agrotehnika vyrasivania dynnogo dereva (Carica papaya L.) v usloviah zasisennogo grunta v Turkmenistane // Avtoreferat dissertacii na soiskanie uc. stepeni doktor sel'hoz. nauk. M. 2000.
14. Pendziev A.M. Energoeffektivnost' ispol'zovania vetroustanovok v pastbisnyh regionah Turkmenistana // Trudy 6-j Mezdunarodnoj naucno-tehniceskoj konferencii «Energoobespecenie i energosberezenie v sel'skom hozajstve». Cast' 4. M.: GNU VIESH. 2008. S. 314-322.
15. Pendziev A.M. Ozidaemaa ekologo-ekonomiceskaa effektivnost' ispol'zovania fotoelektriceskoj stancii v pustynnoj zone Turkmenistana // Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2007. № 5. S. 81-
106
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (135) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
1SM1
экология. 2007. № 5. С. 81-92.
16. Пенджиев А.М. Планирование развития фотоэнергетики в Туркменистане // Экологическое планирование и управление. 2007. № 3. С. 64-70.
17. Пенджиев А.М. Механизм чистого развития: приоритеты энергоэффективности в Туркменистане // Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2009. № 10.
18. Пенджиев А.М. Автономное энерговодоснабжение пустынных пастбищ Туркменистана с использованием солнечных фотоэлектрических установок // Энергоснабжение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 6-й Международной научно-технической конференции. Часть 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008.
19. Пенджиев А.М. Расчет потенциала солнечной энергии в областях Туркменистана // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 12. С. 47.
20. Рыбакова Л.Е., Пенжиев А.М. Энергия барада сохбет. Магарыф, 1994.
21. Стребков Д.С., Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б. Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане. Монография. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012.
22. Стребков Д.С., Мамедсахатов Б.Д., Пенджиев А.М. Перспективы развития солнечной фотоэнергетики в Среднеазиатском регионе. В кн. Сб. научных трудов и инженерных разработок. Перспективные результаты фундаментальных исследований. Материалы 7 специальной выставки-конференции изделий двойного назначения. 2006, 1619 октября. Москва. С. 112-118.
23. Использование солнечной энергии. Под редакцией профессора Рыбаковой Л.Е. Ашхабад: Ылым, 1985.
24. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Ч. 1-16. Вып. 1-30. Л.: Гидрометеоиздат. 1989.
25. Penjiyev А. Renewable Energy Application for Independent Development of Small Settlements of Turkmenistan // Desert Technology. VII International Conference. November 2003. India.
26. Penjiyev А. Ecoenergy resources of greenhouse facilities in the arid zone // Problems of desert development. 1998. № 5.
92.
16. Pendziev А.М. Planirovanie razvitiä fotoenergetiki v Turkmenistane // Ekologiceskoe planirovanie i upravlenie. 2007. № 3. S. 64-70.
17. Pendziev А.М. Mehanizm cistogo razvitia: prioritety energoeffektivnosti v Turkmenistane // Mezdunarodnyj zurnal «АГternativnaä energetika i ekologiä». 2009. № 10.
18. Pendziev А.М. Аvtonomnoe energovodosnabzenie pustynnyh pastbis Turkmenistana s ispol'zovaniem solnecnyh fotoelektriceskih ustanovok // Energosnabzenie i energosberezenie v sel'skom hozäjstve. Trudy 6-j Mezdunarodnoj naucno-tehniceskoj konferencii. Cast' 4. M.: GNU VIESH, 2008.
19. Pendziev АЖ Rascet potenciala solnecnoj energii v oblastäh Turkmenistana // Mehanizaciä i elektrifikaciä sel'skogo hozäjstva. 2008. № 12. S. 47.
20. Rybakova L.E., Penziev АМ. Energiä barada sohbet. Magaryf, 1994.
21. Strebkov D.S., Pendziev АЖ, Mamedsahatov B.D. Razvitie solnecnoj energetiki v Turkmenistane. Monografiä. M.: GNU VIESH, 2012.
22. Strebkov D.S., Mamedsahatov B.D., Pendziev АЖ Perspektivy razvitiä solnecnoj fotoenergetiki v Sredneaziatskom regione. V kn. Sb. naucnyh trudov i inzenernyh razrabotok. Perspektivnye rezul'taty fundamental'nyh issledovanij. Materialy 7 special'noj vystavki- konferencii izdelij dvojnogo naznaceniä. 2006, 16-19 oktäbrä. Moskva. S. 112-118.
23. Ispol'zovanie solnecnoj energii. Pod redakciej professora Rybakovoj L.E. Аshabad: Ylym, 1985.
24. Naucno-prikladnoj spravocnik po klimatu SSSR. Seriä 3. C. 1-16. Vyp. 1-30. L.: Gidrometeoizdat. 1989.
25. Penjiyev А. Renewable Energy Application for Independent Development of Small Settlements of Turkmenistan // Desert Technology. VII International Conference. November 2003. India.
26. Penjiyev А. Ecoenergy resources of greenhouse facilities in the arid zone // Problems of desert development. 1998. № 5.
Транслитерация по ISO 9:1995
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (135) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
