ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ В ТУРКМЕНИСТАНЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

SOLAR ENERGY

Солнечные электростанции

Solar power plants

УДК 621.383; 621.472

ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ В ТУРКМЕНИСТАНЕ

А. М. Пенджиев, Б. Д. Мамедсахатов

Туркменский политехнический институт м. Бикрова, Солнечный, 4/1, Ашхабад-32, 744032, Туркменистан

Тел.: +(495)37-09-50

Сведения об авторе: доктор с/х наук, кандидат техн. наук, доцент кафедры автоматизации производства Туркменского политехнического института.

Образование: Туркменский государственный университет, физический факультет (1978 г.). Профессиональный опыт: 02.1978-04.1980 гг. — лаборант, инженер Туркменской базовой лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского института источников тока; 04.198009.1989 гг. — инженер, научный сотрудник НПО «Солнце» Академии наук Туркменистана.

Преподавательская деятельность: 11.1991-09.1992 гг. — старший преподаватель Национального института спорта и туризма Туркменистана; 09.1992-09.2002 гг. — зав. кафедрой «Основы вычислительной техники и биомеханики» Национального института спорта и туризма Туркменистана; 09.2002-09.2003 гг. — зав. кафедрой изучения мирового опыта в спорте и туризме.

Публикации: около 120 научных статей, брошюр, 8 монографий.

Пенджиев Ахмет Мырадович

In clause the basic conditions and factors of development of photopower in Turkmenistan and opportunity of use of solar photo-electric station in various industries are considered(examined), and also the ecologo-economic accounts are resulted.

Национальным планом действий Президента Туркменистана Сапармурата Туркменбаши по охране окружающей среды (НПДООС) определены направления и задачи природоохранной политики Туркменистана и составлен план долгосрочных мероприятий. Одним из направлений дальнейшего развития Туркменистана является комплексное решение экономических, экологических и социальных задач энергоснабжения в Туркменистане [6].

В шестидесятые годы прошлого столетия впервые была реализована возможность преобразования лучистой энергии Солнца в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, получивших потом название «солнечных элементов». Сейчас солнечная фотоэнергетика — новая, динамично раз-

вивающаяся отрасль энергетики, которая в перспективе при объеме выпуска солнечных батарей суммарной мощностью 42 млн. кВт в год будет использоваться для покрытия пиковой нагрузки электросистем в дневное время и рассматривается как альтернатива традиционным методам получения электроэнергии из органического топлива и ядерной энергии. В 1984 г. выработка электроэнергии от солнечных батарей в мире составила 30 МВт, уже в 1999 г. достигла 200 МВт пиковой мощности с явной тенденцией к дальнейшему росту — 9,2 ГВт к 2010 году [10].

Перспективный объем применения солнечных фотоэлектрических станций в СНГ в соответствии с запасами предприятий различных министерств и ведомств составляет уже сейчас около 500 МВт в год, а в области применения

Статья поступила в редакцию 17.03.2007 г. Ред. per. № 26. The article has entered in publishing office 17.03.2007. Ed. reg. No. 26.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7(51) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

охватывает более 40 различных видов потребителей. Несмотря на ведущиеся в стране интенсивные разработки по фотоэктричеству, отсутствие у нас специализированных производств по выпуску солнечных элементов создает большие трудности для дальнейшего развития солнечной фотоэнергетики. Объем выпуска солнечных элементов наземного применения в СНГ в 1000 раз меньше мирового уровня и в 1985 г. составил 30 кВт. Учитывая, что уровень исследований и разработок солнечных элементов и солнечных фотоэлектрических станций у нас соответствует мировому уровню, а по некоторым типам солнечных элементов (матричные, на основе гетероструктур, разработки теории новых моделей) выше мирового уровня, необходимо в ближайшее время решить вопрос о создании национальной научно-исследовательской, технологической, проектно-конструкторской базы по строительству серийных заводов по выпуску солнечных элементов и солнечных фотоэлектрических станций.

Максимальный КПД преобразования солнечного излучения вблизи поверхности Земли составляет ~28 % и соответствует запрещенной зоне ар-сенида галлия Е = 1,4 эВ, для кремния Е = 1,1 эВ.

Преобразование солнечной энергии в электрическую является важнейшим направлением в решении энергетических, экономических, экологических и социальных проблем населения, промышленности и сельского хозяйства. Фотоэлектрический способ преобразования солнечной энергии является не только надежным, долговечным и экологически чистым, но может быть использован для улучшения экологической обстановки на небольшой территории, а в перспективе — для регулирования экологических условий на больших территориях.

В настоящее время в качестве физической основы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии принимается фотовольтический эффект в полупроводниках, хотя существуют и развиваются и другие, так называемые «прямые» методы преобразования солнечной энергии в электрическую: термоэлектрический, термофотоэлектрический, фотоэлектрохимический и т. д., которые, однако, не получили широкого практического использования [1-3, 10].

Анализ современного состояния фотоэнергетики в Туркменистане

В настоящее время в стране нет ни одной промышленной установки, преобразующей или использующей энергию Солнца. Но большое число экспериментальных и опытно-конструкторских работ проходит испытание на различных полигонах страны.

Так, на колодцах «Инер-чага», «Таза гуи» и Каррыгуль отгонных пастбищ Каракумов ис-пытываются солнечные водоподъемные комплек-

сы, предназначенные для водоснабжения овцеводства республики. За сутки одна такая установка поднимает на высоту 25 м до 3,5 м3 воды и таким образом способна обслужить отару овец из 600-700 голов. Водоподъемные комплексы работают от солнечных электростанций различных модификаций:

- на колодцах «Инер-чага» и Каррыгуль — от солнечной электростанции (без слежения за Солнцем) мощностью 300 Вт и 360 Вт;

- на колодце «Таза гуи» — от солнечной электростанции с автоматическим слежением за Солнцем мощностью 500 Вт. Часть электростанции питает солнечный водоподъемный комплекс (220 Вт), другая часть (280 Вт) используется для опреснения минерализованных вод колодца (0,5 т в сутки).

На колодце «Инер-чага» солнечная электростанция мощностью 500 Вт используется для электроснабжения чабанских семей. От солнечной электростанции работают 7 лампочек, 2 телевизора, холодильник.

Сотрудники государственной автоинспекции г. Ашхабада испытывают 25 переносных радиостанций 70 РТП-2-ЧМ, переведенных на питание от солнечных батарей. Многолетний опыт их эксплуатации показал улучшение эксплуатационных характеристик и высокую экономическую эффективность перевода радиостанций на питание от солнечных батарей.

На полигоне отделения ВНИИТ г. Ашхабада испытывались:

- солнечная электростанция на основе пара-болоцилиндрических концентраторов мощностью 1 кВт; сооружается такая же станция мощностью 10 кВт. Эти станции предназначены для электроснабжения отделения и обогрева теплицы;

- солнечная электролизно-водная установка СЭВУ-120, предназначенная для получения тепла на отгонных пастбищах (приготовление пищи), а также газопламенной сварки. Производительность установки 120 л водородно-кис-лородной смеси в час, тепловая энергия пламени — 300 ккал/ч, 350 Дж/с. Потребителями солнечных электролизно-водных установок на отгонных пастбищах могут быть:

- школы (получение тепла для приготовления пищи);

- медицинские учреждения (получение тепла для стерилизации медицинских инструментов);

- постоянное население отгонных пастбищ (получение тепла для полного или частичного приготовления пищи).

Несмотря на то, что современные солнечные электростанции вырабатывают более дорогую электроэнергию по сравнению с обычными электростанциями (61,5 цента США за 1 кВтч), они могут дать ощутимый экономический эффект в ближайшее время. Расчеты показывают, что ожидаемый экономический эффект от вне-

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 7(51) 2007 /• ^

© 2007 Научно-технический центр «TATA» ОД

дрения солнечных водоподъемных комплексов на отгонных пастбищах страны для водоснабжения овцеводства достигает $1640 в год на одну установку. Экономия органического топлива равна 0,2 т у. т.

Перевод радиостанций 70 РТП-2-ЧМ, эксплуатируемых Госавтоинспекцией страны, на питание от солнечных батарей дает экономический эффект в размере $16,4 в год на одну радиостанцию; позволяет экономить остродефицитные аккумуляторные батареи типа ЦНК-0.45-11-У2 (одну аккумуляторную батарею на радиостанцию в год). Расчеты показывают, что экономически целесообразен перевод всей бытовой радиоаппаратуры, работающей от химических источников тока, на питание от солнечных батарей. Экономический эффект по этой группе товаров достигает $98,4 в год на 1 шт.

Внедрение солнечных электролизно-водных установок СЭВУ-120 на отгонных пастбищах может дать экономический эффект до $139,4 в год на 1 установку. Экономия органического топлива составит 0,3 т у. т. в год [4-9].

Основные условия и факторы развития фотоэнергетики в Туркменистане на период до 2030 г.

Одним из главных факторов, обусловливающих необходимость развития солнечной фотоэнергетики в Туркменистане, является сравнительно большой годовой приход солнечной суммарной радиации на деятельную поверхность. Для Туркменистана этот показатель составляет 6468 мДж/м2 в год. Годовой приход суммарной солнечной радиации на всю площадь Туркменистана равен 31571012МДж (табл.1) и определяет потенциальные фотоэнергетические ресурсы страны.

Но из всей этой энергии Солнца, поступающей на территорию страны, солнечные элементы преобразуют в электрическую энергию лишь часть ее, определяемую их КПД, который в настоящее время составляет 7 %. Кроме того, солнечные электростанции используют лишь часть продолжительности солнечного сияния, определяемую их временем работы в сутки (6 ч) или в год (2190 ч). Таким образом, степень использования продолжительности солнечного сияния составляет:

2190 ч : 2909 ч = 0,75,

Таблица 1 Радиационный режим Туркменистана

Характеристика

1. Среднегодовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность_

2. Средняя многолетняя продолжительность солнечного сияния

3. Площадь страны

4. Среднегодовой приход суммар-

ной солнечной радиации на пло-

щадь страны_

Значение

6468 мДж/м2

2909 ч

488,1 тыс. км2

3157-1012 МДж

а КПД солнечных электростанций составит: 0,07 • 0,75 = 0,0525. Этой величиной определяется среднегодовой уровень фотоэнергетических ресурсов Туркменистана, технически пригодных к использованию (табл. 1):

3157 • 1012 МДж • 0,525 = 165 • 1012 МДж, или

4568,1 • 107 млн. кВт ч, что в 5 млн. раз превышает современный уровень производства электроэнергии в СНГ — 1418,1 млрд. кВт-ч/год.

Таким образом, дальнейшее развитие солнечной фотоэнергетики в Туркменистане требует создания производственной базы для выпуска солнечных электростанций и батарей. Программой работ по отрасли должно быть предусмотрено строительство и ввод в действие 1-й очереди завода по производству солнечных батарей в г. Ашхабаде с годовым объемом выпуска продукции на сумму $41,0 млн. и общей мощностью 1/13500 МВт/м2. Необходимо предусмотреть полное развитие завода к началу 2015 г. с годовым объемом выпуска продукции на сумму $82 млн. и общей мощностью 1/27000 МВт/м2. Сметная стоимость строительства завода — $151,7 млн. (табл. 2), в том числе строительно-монтажные работы — $106 млн., оборудование — $45,1 млн. Требуемая численность персонала — 8500 чел., в том числе ИТР — 1500 чел., рабочие — 7000 чел.

Создание завода по производству солнечных батарей позволит:

- ежегодно, начиная с 2020 г., оснащать солнечными водоподъемными комплексами

Таблица 2

Сметная стоимость строительства завода по производству солнечных батарей

в г. Ашхабаде (млн. долл. США)

Сметная стоимость Промышленное строительство Жилищное строительство Всего (полное развитие)

1-я очередь Полное развитие 1-я очередь Полное развитие

1. Сметная стоимость 57,4 98,4 53,3 151,7

2. Строительно-монтажные работы 32,8 57,4 49,2 106,6

3. Оборудование 24,6 41 4,1 45,1

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7(51) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

1667 колодцев из 5200 действующих в настоящее время на отгонных пастбищах страны и таким образом удовлетворить ~32 % потребности в них. К 2020 г. возможно полное удовлетворение собственных потребностей страны в солнечных водоподъемных комплексах;

- улучшить электроснабжение населенных пунктов отгонных пастбищ. Ежегодный выпуск 35 модулей солнечных электростанций мощностью 10000 Вт каждый позволит удовлетворять до 3 % потребности населенных пунктов отгонных пастбищ в электроснабжении, а к 20152020 гг. — до 30 % перевести на питание от солнечных батарей транзисторную радиоаппаратуру мощностью до 2 Вт в объеме, превышающем среднегодовое поступление товаров в страну;

- перевести на питание от солнечных батарей бытовую радиоаппаратуру мощностью до 40 Вт в объеме, превышающем 20 % среднегодового поступления этих товаров в страну;

- ежегодно переводить на питание от солнечных батарей до 30 % станций катодной защиты подземных сооружений страны;

- полностью удовлетворить собственные потребности страны в переводе речного и морского навигационного оборудования на питание от солнечных батарей.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения продукции завода по производству солнечных батарей в народное хозяйство Туркменистана составит (табл. 3):

- $1,9 млн. в год от внедрения солнечных водоподъемных комплексов для подъема воды из колодцев отгонных пастбищ страны. Экономия органического топлива составит 333,4 т у. т. в год или сократит выбросы на 806 Мг СО2 экв. в год;

- $1,3 млн. в год от внедрения модулей солнечных электростанций мощностью 10000 Вт каждый для энергоснабжения населенных пунктов отгонных пастбищ. Экономия органического топлива составит 230 т у. т. в год или сократит выбросы на 556,6 Мг СО2 экв. в год;

- $0,41 млн. в год от перевода транзисторной радиоаппаратуры мощностью до 20 Вт на

питание от солнечных батарей. Экономия химических источников тока составит 5 млн. элементов и батарей в год;

- $0,246 млн. в год от перевода транзисторной радиоаппаратуры мощностью до 40 Вт на питание от солнечных батарей. Экономия химических источников тока составит 63 млн. элементов и батарей в год;

- $1,9 млн. в год от перевода станций катодной защиты подземных сооружений на питание от солнечных электростанций. Экономия органического топлива составит 358,5 т у. т. в год или сократит выбросы на 867 Мг СО2 экв. в год;

- $1,5 млн. в год от перевода речного и морского навигационного оборудования на питание от солнечных электростанций. Экономия органического топлива составит 263 т у. т. в год или сократит выбросы на 741,6 Мг СО2 экв. в год.

Суммарный экономический эффект от внедрения продукции завода по производству солнечных батарей составит:

1-я очередь ф,. .

г $3,5 млн. в год

строительства завода

Полное развитие $7,3 млн. в год

Экономия органического топлива и сокращение выбросов С02

493 т у. т. в год или

1-я очередь строительства завода

Полное развитие производства

сокращение выбросов на 1193,1 Мг СО2 экв. в год 1184,9 т у. т. в год или сокращение выбросов на 2867 Мг СО2 экв. в год

Область использования солнечных электростанций и солнечных батарей может быть значительно расширена за счет их применения для:

- электропитания солнечных электролизно-водных установок СЭСУ-120 потребляемой мощностью 500 Вт и производительностью 120 л водород-кислородной смеси в час;

- электропитания электродиализных опреснительных установок потребляемой мощностью 500 Вт, производительностью 1 т пресной воды в сутки;

Таблица 3

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения продукции завода по производству солнечных батарей

Экономия органического топлива, т у. т. Ожидаемый экономический эффект

Наименование На Суммарный,

единицу изделия, $ США тыс. $ США

2010-2015 гг. 2015-2020 гг. 2010-2015 гг. 2015-2020 гг.

Батареи солнечные БС-2 — — 4,1 410 410

Батареи солнечные БС-40 — — 231,24 289,05 289,05

Солнечные электростанции СЭС-300 — 333,4 1131,6 — 1886,4

Солнечные электростанции СЭС-1000 — 358,5 3772 — 1886

Солнечные электростанции СЭС-2500 263 263 9430 1508,8 1508,8

Модули СЭС-10000 для комплектования станций большой мощности 230 230 377720 1320,2 1320,2

ИТОГО: 493 1184,9 — 3528,05 7300,46

i г Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 7(51) 2007 I © 2007 Научно-технический центр «TATA»

- освещения кошар и питания электроизгороди для овец;

- для энергопитания сельскохозяйственных машин и механизмов: электростригального агрегата ЭСА-12Г потребляемой мощностью 4 кВт; транспортера шерсти потребляемой мощностью 1,7 кВт; чаеочистительной машины ЧП-300 суммарной потребляемой мощностью 3,2 кВт; электромагнитной семяочистительной машины суммарной потребляемой мощностью 3,1 кВт; электромотыги ЭМ-12 потребляемой мощностью 0,27 кВт; электрофрезы ФС-07 потребляемой мощностью 2,8 кВт;

- для питания машин и механизмов животноводческих ферм: укладчика грубых кормов, потребляемой мощностью 1,7 кВт, грузоподъемностью 250 кг, производительностью при скирдовании сена 6,5 т/ч, соломы 2,8 т/ч; раздатчика кормов РКУ-200, РКС-3000М потребляемой мощностью 3 кВт, обслуживающего до 1200 голов скота; других сельскохозяйственных машин и механизмов [6-9].

Основные требования

развития фотоэнергетики к отраслям и сферам народного хозяйства

Требования к науке

1. Разработать дешевую технологию изготовления солнечных элементов, позволяющую снизить их стоимость ($41 за 1 Вт) не менее чем в 10 раз. Снижение стоимости солнечных элементов приведет к пропорциональному удешевлению солнечных электростанций и батарей и позволит расширить область их применения.

2. Изучить конъюнктуру рынка сбыта солнечных электростанций и батарей в стране.

Требования к промышленности, транспорту и др.

1. Освоить производство технологического оборудования для создания солнечных батарей, в том числе автоматизированных линий по производству солнечных элементов, автоматизированных линий по сборке плоских солнечных батарей.

2. Соответствующим отраслям промышленности Туркменистана освоить существующую технологию получения солнечных элементов из местного сырья — песка Каракумов.

Требования к подготовке кадров

Необходимо организовать курсы повышения квалификации по специальностям: технология изготовления солнечных элементов; управление автоматизированной линией по производству солнечных элементов; управление автоматизированной линией по сборке плоских солнечных батарей.

Требования по совершенствованию системы управления фотоэнергетикой

Необходимо создать научно-производственное объединение в г. Ашхабаде в составе научно-исследовательского центра, завода по производству солнечных батарей, специального проект-но-конструкторского и технологического бюро.

Заключение

Туркменистан располагает богатейшими солнечными фотоэнергетическими ресурсами, не ис-

пользуемыми в настоящее время. Оценка их среднегодового уровня равна 31571012 МДж.

Для использования лишь 0,005 миллиардной доли солнечных фотоэнергетических ресурсов страны необходимо создать завод по производству солнечных батарей с годовой мощностью 1 мВт/2700 м2 и годовым объемом выпуска продукции $82 млн. Объем капитальных вложений на строительство завода — $151,7 млн.

Создание завода по производству солнечных батарей позволит за 2010-2030 гг. полностью удовлетворить потребности страны в солнечных водоподъемных комплексах для электроснабжения населенных пунктов отгонных пастбищ, в электропитании станций катодной защиты подземных сооружений, в электропитании речного и морского навигационного оборудования и др.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения продукции завода по производству солнечных батарей составит $74 млн./год, экономия органического топлива — 1200 т у. т./год или сокращение выбросов на 2904 Мг СО2 экв./год.

Годовая выработка электроэнергии солнечными фотоэлектрическими станциями и батареями, планируемыми к выпуску заводом, составит 4,4 млн. кВтч при условии использования 2190 ч солнечной радиации в год. Себестоимость выработки 1 кВтч электроэнергии — 61,5 цента.

Список литературы

1. Дурдыев А. М., Пенджиев А. М. Пути сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу // Проблемы освоения пустынь. 2003. № 2.

2. Муругов В. П., Мартиросов С. Н. Экономическая оценка возобновляемой энергетики для автономного электроснабжения // Возобновляемая энергия. 1997. № 1. С. 52-55.

3. Пенджиев А. М., Маметсахатов Б. Д. Расчетная себестоимость возобновляемых источников энергии // Проблемы освоения пустынь. 2006. № 1. С.46-48.

4. Пенджиев А. М. Эффективность использования ветроэлектроустановок в Туркменистане // Там же. 2004. № 1. С. 20-25.

5. Пенджиев А. М. Ветроэнергетические ресурсы Туркменистана // Стандарт. 2004. №4. С. 32-34.

6. Пенджиев А. М. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в Туркменистане // Проблемы освоения пустынь. 2005. № 2.

7. Стребков Д. С. О развитии солнечной энергии в России // Теплоэнергетика. 1998. № 2. С.57-60.

8. Стребков Д. С., Кошкин Н. Л. О развитии солнечной энергии в России // Теплоэнергетика. 1996. № 5. С. 381-384.

9. Стребков Д. С., Пинов А. Б. Фотоэлектричество: проблемы в России // Возобновляемая энергия. 1997. № 1. С. 22-51.

10. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. М.: Наука, 2003.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7(51) 2007 . - , i ~ I J^Ht

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA» Je®«"® I SL :":