Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики

ВВЕДЕНИЕ

Для развития цивилизации жизненно необходимы достаточные источники электроэнергии. Вся человеческая цивилизация находится в постоянной зависимости от источников этого вида энергии. Но современные источники электроэнергии имеют свой ресурс исчерпаемости. В 21 веке остро ощущается необходимость развития новых экологический безопасных и экономический выгодных источниках энергии. Солнечная электроэнергетика в настоящие время является потенциально важнейшим элементом мировой энергетики.

Данная дипломная работа является исследованием и анализом мирового опыта в области солнечной электроэнергетики, рассматривает потенциал солнечной электроэнергетики в общемировом и республиканском масштабе.

Актуальность темы дипломной работы состоит в обосновании эффективности солнечной электроэнергетики как рационального пути решения энергетических, экологических и социально – экономических проблем для Республики Казахстан.

Научная новизна дипломной работы состоит в исследовании нового альтернативного источника электроэнергии.

Практическая значимость исследованийсостоит в обосновании рациональных путей обеспечения народного хозяйства Казахстана электроэнергией, а также связанных с ними экономических и экологических проблем. Это позволит в перспективе повысить эффективность энергетической системы Казахстана в десятки раз и снизить затраты на электроэнергию.

Оценка современного состояния решаемой научной проблемы.

На сегодняшний день основными источниками электроэнергии являются электростанции работающие на углеводородном топливе, таком как уголь (от 30 до 50%,), торф (до 45%), газ (от 10 до 40%,) и мазут, атомныеэлектростанции (17-20 %), гидроэлектростанции (5%) . Но данные способы получение электроэнергии имеют серьезные недостатки: истощаемость углеводородных природных ресурсов, общий дефицит электроэнергии, её дороговизна и проблемы загрязнения окружающей среды. К тому же трагические события в истории атомной энергетики, авария на Чернобыльской АЭС и на атомной станции в городе Фокусима,показывают с какими большими рисками связана эксплуатация атомных электростанций.

По мнению мировых экспертов, единственным выходом из сложившейся ситуации является развитие и эксплуатация нетрадиционных, альтернативных способов получения электроэнергии. Наиболее перспективным является развитие солнечной энергетики (СЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья.

Солнечная электроэнергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения электроэнергии. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство электроэнергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии.

На сегодняшний день основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанциях являются Германия -17320 МВт, Испания -3892 МВт, Италия-3502 МВт и США-2519 МВт. Технологический опыт этих стран очень важен для понимания всей перспективности солнечной электроэнергетики.

Цель дипломной работы - обосновании предложений по рациональным путям повышения эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачидипломной работы:

1. Проанализировать мировыеперспективы развития солнечной электроэнергетики;
2. Изучить передовой опыт развитых стран в сфере решения технико – технологических и экономических проблем разработки и эксплуатации солнечных электростанций различных видов;
3. Проанализировать положение дел в энергосистеме Республики Казахстан;
4. Для выбранного объекта исследования обосновать предложения по рациональному развитию данного сегмента энергетики;
5. Выполнить экономическую, экологическую оценку результатов дипломной работы, а также оценку безопасности в энергетической отросли.

Основным объектом исследованияявляется энергетическая система Казахстана.

В процессе выполнения дипломной работы использовались следующие основные методы исследований: аналитический, статистический, расчётный, монографический, исторический.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Состояние и мировые перспективы развития солнечной энергетики

СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономический выгодный способ получение электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья.

Человек давно использует энергию солнца. Солнечные батареи используют не только как источник питания космических станций: они приобрели широкое применение в отдаленных районах Азии и Африки, где затруднен доступ к электросетям. В Индии существует проект замены 4-5 млн дизельных водяных насосов в деревнях на солнечные установки, что позволит сэкономить около 1000 МВт мощности. .Сегодня около 95% многоквартирных домов оснащены солнечными водонагревателямив Израиле, в масштабах страны помогающими экономить 4% энергии. В Китае в 2009 г. около 60 млн семей пользовались такими устройствами. С 80-х годов в ряде стран реализуются проекты и ведутся исследования, нацеленные на использование солнечной энергии в рамках "большой" энергетики. Это обусловлено перспективой снижения зависимости от традиционных энергоносителей, сжигание которых сопровождается к тому же выбросами "парникового" углекислого газа, с помощью общедоступной и бесплатной энергии солнца. С этой целью строятся солнечные электростанции, мощность крупнейших из которых уже достигает десятков мегаватт. Помимо экономического аспекта не маловажную роль играет и экологический аспект, солнечная энергетика способствует увеличению научного потенциала государства, созданию рабочих мест в передовой отрасли,относится к сфере высоких технологий и ее развитие.

Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли значительно больше мирового потенциала ресурсов органического топливав 6-7 раз. За неделю на поверхность Земли поступает такое количество солнечной энергии, которое превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Использование только 0,5% этого запаса могло бы полностью покрыть мировую потребность в энергии в длительной перспективе. Солнечные электростанции работают более чем в 30 странах [1]. Согласно прогнозу [5], по сравнению с 2010 годом, структура энергопотребления человечества к 2100 году изменится примерно следующим образом: потребление нефти в качестве источника энергии уменьшится с 36% до 5%, угля – с 18% до менее одного процента, газа – с 26% до девяти процентов, производство атомной энергии по традиционным технологиям будет прекращено в связи с нерешённостью проблем безопасности, в частности – проблем утилизации вредных ядерных отходов; доля гидроэнергетики уменьшится с шести до полутора процентов, биомассы – с 10% до семи. При этом доля альтернативных возобновимых, экологически чистых, безопасных источников энергии резко возрастёт – ветровая энергетика – от минимума до более семи процентов, прочие виды – до пяти процентов, солнечная энергетика (включая солнечное отопление) – от минимума до более 60% [5].По прогнозу МИРЭС увеличение использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии до 2020 г. ожидается до 12 % от мирового потребления традиционной энергетики. Это меньше предыдущего прогноза примерно на восемь процентов по уровню 2020 года. По исследованиям ряда зарубежных специалистов к 2020 году соотношения стоимостей электроэнергии, производимой на основе альтернативных и традиционных видов топлива (дол.США / кВт-ч) ожидается в следующих размерах [6]: энергия солнца – 0,01; тепловая солнечная энергия – 0,03; фотоэлектрическая солнечная энергия – 0,02 - 0,03; атомная энергия – 0,04 – 0,13; энергия, полученная при сжигании нефтепродуктов – 0,06; при сжигании угля – 0,04. То есть, стоимость самого дорогого, но и самого перспективного (по многим оценкам) варианта солнечной энергии (фотоэлектрической) ожидается до шести раз дешевле атомной, до трёх раз дешевле сжигания нефтепродуктов и до двух раз дешевле сжигания угля [7].

СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья. Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии [2]. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии, в связи с тем, что основная научная деятельность в энергетики была направлена на развитие атомной энергетики, а солнечной энергии не уделялось должное внимание.

Учитывая, что 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 МВт.ч электроэнергии, легко подсчитать нефтяной эквивалент кремния. Прямой пересчет электроэнергии 300 МВт.ч с учетом теплоты сгорания нефти 43,7 МДж/кг дает 25 т нефти на 1 кг кремния. Если принять КПД ТЭС, работающей на мазуте, 33%, то 1 кг кремния по вырабатываемой электроэнергии эквивалентен примерно 75 тоннам нефти [9].

В связи с высокой надежностью по основным компонентам - кремнию и солнечным элементам срок службы солнечных электростанций может быть увеличен до 50-100 лет. Для этого потребуется исключить из технологии герметизации полимерные материалы. Единственным ограничением может явиться необходимость их замены на более эффективные. КПД в 25-30% по прогнозам будет достигнут в производстве в ближайшие 10-20 лет. В случае замены солнечных элементов кремний может быть использован повторно и количество циклов его использования не имеет ограничений во времени.

Солнечная энергетика вслед за атомной в настоящий момент переживает возрождение. Такое положение связано с ужесточением экологических норм и ростом потребности в электроэнергии. Это «ножницы» мировой экономики, поскольку практический не возможно нарастить энергетические мощности без ущерба для экологии окружающей среды. Выход из сложившейся ситуации – ускоренный переход к более «чистой» энергетике. Так, передовые страны объявили о принятие ряда мер и законопроектов по значительному, поэтапному снижению техногенных выбросов (от 15 % до 40%) и выделяемых средствах порядка 30 млрд долларов США в течение ближайших трех лет и 100 млрд до 2020 года для помощи наименее обеспеченным странам, страдающим от потепления климата. Эти страны также необходимо оказать своевременную помощь как в технологическом и техническом оснащении солнечных электростанций, обеспечивших промышленно развитым странам технический прогресс в 20 веке, так и в использовании других возобновляемых источниках энергии. Учитывая важность проблемы, было принято решение рассмотреть исполнение юридических обязательств государств по Киотскому протоколу на конференции ООН по климату в этом году в Мехико.
Таким образом мировая научная общественность как на научном так и на политическом уровне приходят к выводу солнечная электроэнергетика – наиболее эффективный вид альтернативной, безопасной энергетики в обозримой перспективе человечества.

Солнечная энергия в техники впервые была использована в 18 веке. В 1600 году изобрели во Франции первый солнечный двигатель использующейся для перекачки воды. Он работал за счет энергии нагретого воздуха. В конце 17 ого века А.Лавуазье изобретает солнечную печь с температурой в 1650 градусов Цельсия.В ней изучались свойства платины и углерода, а так же нагревались в вакууме образцы исследуемых материалов и защитной атмосферы. Несколько крупных гелиоконцентраторов были построены в Алжире французским ученым А.Мушо в 1866 году. Их использовали для приводов насосов и дистилляции воды. В 1878 году, в Париже А.Мушо была продемонстрирована солнечная печь которая использовалась для температурной обработки продуктов питания. За 20 минут в ней можно было приготовить 500 грамм мяса. Гелио воздушный двигатель размером 4.8 на 3.3метров, спараболическим концентратором был продемонстрирован в США в 1833 году ученым Дж.Эриксоном.Француз Ш.А.Тальер изобрел первый в мире плоский коллектор гелио энергии. Ониспользовался в тепловом двигателе и имел площадь 20 м2,тепловой двигатель работал на амеаке. В 1885 году была продемонстрирована схема для подачи воды смонтированная на крыше пристройки к дому, работающая от гелиоустановки с плоским колекктором.

Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была

построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она

эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.

В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс

плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным

зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000°С.

На башенных СЭС сегодня зеркала (гелиостаты) отражают СИ на

теплоприемник, установленный на высокой башне. Этот принцип

англичанин Уильям Адаме использовал для своей энергетической установки

в Бомбее еще в 1878 году. Прототип мощнойгелиостанции с параболо-

цилиндрическими отражателями, подобной той, что используется сегодня в

калифорнийской пустыне Мохаве и вырабатывает пар для турбин, также был

разработан в конце прошлого века - американцем Джоном Эрикссоном.

Впервые их начал широко применять американский предприниматель Фрэнк

Шуман. Его установки на окраине Каира качали на поля воду Нила. К

сожалению, эта действовавшая солнечная силовая установка мощностью в 40

киловатт была разрушена в первую мировую войну.

Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 1930-е годы XX века. Фотоэлементы, разработанные тогда в ФТИ им. Йоффе имели КПД до 1%, т.е. в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии.В 1954 году Пирсон, Фуллер и Чапин (США) запатентовали первый элемент с КПД около 6%. Четыре года спустя, солнечные батареи стали основными источниками энергии на космических аппаратах СССР и США.

К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке.

В 1977 году, Соединенные Штаты создали новое правительственное учреждение, деятельность которого была полностью посвящена освоению энергии солнца, ее преобразованию в электричество. 1980-ые были также важным временем в истории развития солнечной энергии. В 1981 году ученые создавали первый солнечный самолет, а в 1982-ом первый солнечный полно приводной автомобиль. В период 1990-2000-х солнечные батареи становятся еще более эффективными,но что еще более важно они стали доступны широкому потребителю, их рынок действительно становится массовым, особенно в том его сегменте, который относится к индивидуальному домовладению и строительству частных домов. В 1985 году все установленные мощности мира полученные из энергии солнца составляли 21 МВт.[3]

За 26 лет установленная мировая мощность возрастает с 21 МВт до 39778 МВт. Такое увеличение мощности связанно с усовершенствованием и удешевлением способов переработки прямой солнечной энергии в электрическую.

1.2 Передовой мировой опыт производства солнечной электроэнергии

На сегодняшний день основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанций является Германия -17320 МВт, Испания -3892 МВт, Италия-3502 МВт и США-2519 МВт.

Опыт этих передовых научных стран очень важен для понимания всей перспективности солнечной электроэнергетики .Попытаемся кратко описать некоторые аспекты солнечной энергетики Германии, Испании, Италии и США.

Германия – мировой лидер по производству солнечной энергии. В 2010 году 3 % электроэнергии Германии было получено из фотоэлектрических установок.

В Германии львиную долю электроэнергии выработанную солнечными электростанциями направляют в общею сеть. Каждый киловатт централизованно покупается у операторов установок по преобразованию солнечной энергии в электрическую энергоснабжающей организацией и оплачивается по специальному фиксированному тарифу, который превышает рыночную стоимость в разы. Но даже если не брать в ращетто что правительство постоянно субсидирует данную область энергетики, солнечный киловатт- час стал существенно дешевле.

Практический везде в Германии можно увидеть солнечные генераторы. Даже офис Федерального канцлера в Берлине обеспечивается электричеством, которое вырабатывают 756 солнечных панелей. Самый крупный фотогальванический комплекс в мире так же расположен на теретории Германии – на винодельне "Эрлассе" (Erlasse) в баварском Франкене. Комплекс состоит из 1480 батарей (это почти 17 тысяч солнечных панелей), которые генерируют 12 мегаватт энергии и снабжают ею город с населением 8 500 жителей[10].

Испания находится на второй позиции в мире по производству солнечной электроэнергии. На территории Испании в городе Фуэнтес-де-Андалусия находится первая в мире коммерческая электростанция Gemasolar вырабатывающая энергию при помощи солнечных батарей.Этот огромный комплекс был построен совместно Испанскими властями и представителями Объединенных Арабских Эмиратов. GemasolarPowerPlant будет работать круглые сутки, 270 дней в течение года, благодаря яркому испанскому солнцу. Разработчиком данного проекта выступила компания TorresolEnergy. По заявлению представителей этой компании, станция будет выдавать 110 ГВт часов за год, что позволит подпитывать электроэнергией город с населением в 100 тысяч жителей.

Уникальность станции заключается в том, что в качестве накопителя используется расплавленная соль, с температурой 500 градусов. Этого тепла должно хватать на 10 часов работы паровых турбин, вот именно за счет этого и обеспечивается круглосуточная работа станции. На все строительство было затрачено 427 млн. долларов[11].

На третьем месте по выработки электроэнергии из солнца находится Италия-3502 Мвт. Правительство этой страны активно субсидирует развитие солнечной энергетики и создаёт все оптимальные условия для дальнейшего роста мощности солнечной энергетики в стране.

По заявлениям главный главного исполнительного директораEnel, крупнейшей энергетической компании Италии и второй в Европе по величине установленной мощности, они решили изменить первоначальные планы наращивания мощностей солнечной энергетики в стране. Теперь Италия планирует ввести в эксплуатацию в период до 2020 года солнечные электростанции суммарной мощностью в 30 гигаватт[12].

К слову, сегодня Италия импортирует почти 87 процентов электроэнергии в связи с нехваткой энергетических ресурсов. Таки образом, по мнению Конти, чтобы стать энергетически самостоятельной державой, страна должна сосредоточить внимание на разработке возобновляемых ресурсов энергии, особенно солнечной энергии. Впрочем, правительство страны уже в 2007 году начало оказывать содействие развитию солнечной энергетики, разрабатывая и вводя различные стимулирующие меры, как для коммерческих организаций, так и для частных лиц.

В частности, чтобы добиться роста в секторе возобновляемых источников энергии, в Италии был введен льготный тариф «Feed-In-Tariff» (FiT) для производителей электроэнергии, которым стало выгодно инвестировать в развитие солнечной энергетики. Также правительство предлагает долгосрочные контракты, предоставляющие достаточно времени для того, чтобы инвесторы могли вернуть вложенные средства.

Согласно недавнему утверждению агентства рационального использования энергии Италии GestoreServiziEnergetici, в настоящее время в стране функционирует 150 тысяч заводов по выработке солнечной энергии и их число в ближайшие годы будет значительно увеличено. Также стало известно, что Sharp подписала соглашение с компаниями Enel и ST Microelectronics по производству фотоэлектрических модулей мощностью от 160 МВт и выше для нового завода.

Солнечная энергетика Италии, безусловно, движется в направлении достижения паритета с традиционной энергосистемой, когда стоимость производства солнечной энергии будет эквивалентна затратам на производство энергии от ископаемого топлива. Это было подтверждено и в исследовании Европейской Ассоциации Фотоэлектрической Промышленности (EPIA).

США, обладающие огромными солнечными ресурсами, с начала века были в авангарде исследований в области солнечной энергии и сохранили ведущее место. Хотя правительство Соединенных Штатов до сих пор ориентируется на приоритет атомной энергии, тем не менее оно прямо и косвенно оказывает существенную помощь исследованиям в области солнечной энергии. Даже Атомная энергетическая комиссия (АЕС) имеет свои собственные лаборатории, в которых исследуется Солнце.

Наибольшая помощь (от государства) оказывается через NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства), NSF (Национальный научный фонд), НИД (Управление жилищного и городского строительства)[13].

Сегодня ученые в разных частях мира проводят моделирование параметров глобальной солнечной энергетической системы. Предлагается создать глобальную энергосистему из солнечных станций, равномерно расположенных в экваториальном поясе Земли таким образом, чтобы часть станций всегда находилась на дневной стороне Земли. Все электростанции должны быть соединены линией электропередачи с малыми потерями. При моделировании КПД солнечных станций принимался равным вполне реалистичным сегодня 25%. Такая глобальная солнечная энергетическая система генерирует электрическую энергию круглосуточно и равномерно в течение года в объеме 17300 ТВт·ч/г., превышающем современное мировое потребление электрической энергии. Начало функционирования глобальной солнечной энергетической системы возможно с 2050 г. В результате реализации этого проекта доля солнечной энергетики в мировом потреблении электроэнергии может составить 60-70%, а выбросы парниковых газов будут снижены в 10 раз [14].

1.3 Теория солнечной энергетики

Солнечная энергия - кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем.

Общие сведения о Солнце.

Характеристики Солнца:

1. Масса MS~2*1023 кг

2. V= 1,41*1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,

3. RS~629 тыс. км

4. м3светимость LS=3,86*1023 кВт,

5. средняя плотность 1,41*103 кг/

6. эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,

7. период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,

8. ускорение свободного падения 274 м/с2(при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).

Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2[15].

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце ~6*1011 кг водорода превращается в гелий. Дефект массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна

E=mc2(1)

приводит к выделению 4*1020 Дж энергии. Основная часть этой

энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. Поскольку полная масса Солнца ~2*1030 кг, оно должно пребывать в достаточно стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянной генерацией энергии. Активность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м2. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется “воздушной массой” (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.Ниже представлен спектральное распределение активности гелио излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. условие соблюдается если масса потока ровна нулю. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. Значение полной мощности излучения– около порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту) (в соответствии с рисунком 1).

Рисунок 1. Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения

Преобразователи солнечной энергии.

Различают два вида преобразователей солнечной энергии в электрическую:

1. Фотоэлектрические преобразователи- ФЭП- полу-проводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Несколько объединённых ФЭП называются солнечной батареей (СБ).

2. Термодинамические солнечные электростанции солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).

Подробнее разберем каждый из этих преобразователей.

1.3.1Фотоэлектрические преобразователи

Основной принцип работы солнечных батарей.

Наглядная конструкция фото элемента (солнечного элемента)-прибора служащего для преобразования гелио излучения на основе много кресталического кремния (в соответствии с рисунком 2).

Рисунок 2.Конструкция солнечного элемента

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния (в соответствие с рисунком 3). На небольшой глубине от поверхностного слоя кремниевой пластины p-типа формируется p-n-переход с тончайшем металлическим слаботочным контактом. На обратной стороне пластины находится сплошной металлический контакт.
Когда на фото элемент попадает световая энергия, поглощенные фотоны генерируют разновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, приближаются к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем перемещаются в n-область. Таким же образом и лишние дырки, генерируемые в n-слое, от части перемещаются в p-слой(в соответствие с рисунком 3).

Рисунок 3.Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДС В итоге p-слой приобретает еще один положительный заряд, а n-слой дополнительный отрицательный. Изначальная контактная разность между n- иp- слоями полупроводника уменьшается, образуетсянапряжения во внешней цепи ( в соответствии с рисунком 3 б).Положительному полюсу источника тока соответствует p-слой, отрицательномуn-слой. Значение установившейся фото ЭДС при освещении постоянной интенсивности излучением перехода отображаетуравнениявольтамперной характеристики (ВАХ)(в соответствии с рисунком 4).

Рисунок 4.Вольтамперная характеристика солнечного элемента

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1) (3)

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.
ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (в соответствии с рисунком 5) включающая источник тока

Рисунок 5. Эквивалентная схема солнечного элемента

Iph=SqN0Q (4)

где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is[eqU/kT–1]. p-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.

Формула уравнения ВАХ применяется припопадание света на фотоэлемент[10] произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (в соответствии с рисунком 5).

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна

P = IphU = xIкзUхх , (5)

где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольтамперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода.
Проблема нахождения и использования конструкций и материалов для фотоэлементов.
Эффективная работа фотоэлементов требует соблюдения ряда определенных условий:

• Для поглощения существенной части фото энергии в пределах толщены слоя, должен быть предельно большим коэффициент активного слоя, поглощения фотопроводника;
• Дырки и электроны, генерируемые при попадании солнечного освещения на фотоэлемент, должны продуктивно накапливается на обеих сторонах активного слоя контактного электрода;
• В полупроводниковом переходе фотоэлементу необходимо иметь значительную высоту барьера;
• В процессе работы для того чтобы уменьшать потерю мощности общие сопротивление включенное последовательно с фотоэлементом, кроме сопротивления нагрузки, должно быть минимальным;
• По всей активной области фотоэлемента структура тонкой пленки должна быть полностьюоднородной, это исключает закорачивание и воздействие шунтирующих сопротивлений на технические свойства элемента.

Использование в производстве структур основанных на монокристаллическом кремнии, необходимый длявыполнение выше приведенных требований,высокозатратный и сложнотехнологический процесс.В свези с этим большие внимание было обращено на другие материалы отвечающие всем необходимым требованиям: поликристаллические полупроводники,арсенид галлия и сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:Н).
В качестве менеедорогостоящейальтернативе монокристаллического кремния выступает аморфный кремний. В 1975 году были изобретены первые фотоэлементы на его основе.Световое поглощения кремния аморфного приблизительно в 20 раз больше нежели кресталического. Для необходимого поглощения солнечного излучения достаточно толщены 0,5-1,0 мкм пленки a-Si:Н.Для идентичного поглощения видимого света кристаллическим кремнием была необходима пленка толщенной подложки 300-мкм.Современые технологии получения тонких пленок большей площади аморфного кремния делают возможным отказаться от сложно технологических операций полировки, резки и шлифовки, неизбежных при изготовлении фотоэлементов на основе монокристаллическогокремния. Производствофотоэлементов на основе аморфного кремния делает возможным уменьшить технологическую температуру (до 300© С), становится возможным использования не дорогих стеклянных подложек, чтопозволяет минимализировать использование кремния[16].
Развитие технологии позволит увеличить КПД элементов на основе аморфного кремния до теоретического потолка в 16%.На сегодняшний день максимальное КПД этих элементов 12%,что незначительно ниже КПД фотоэлементов на основе кресталического кремния-15%.

На основе структуры металл-полупроводник (Диод Шотки) были изобретены наиболее упрощенные конструкции фотоэлемента изa-Si:Н (в соответствии с рисунком 6).

Рисунок 6.Конструкция фотоэлемента с барьером Шотки

Несмотря на кажущеюся техническую не сложность, реализация этих фотоэлементов проблематична-все состояния на границе металла a-Si:Н должны быть абсолютно стабильными во времени. Металлический электрод должен обладатьследующимихарактеристиками:равномерность по толщине и прозрачность. В основном фотоэлементы на основе аморфного кремнияразмещают на стеклянныхподложках, с нанесением проводящего слоя. Так же фотоэлемент формируют на ленте из нержавеющей стали.

Приформировкиa-Si:Н на металлическую подложку формируетсянегативныйпотенциальный барьер металлическая подложка/аморфный кремний. Необходимо уменьшать высоту данного барьера.Сэтой целью применяются металлические подложки с малой работой выхода(молибден, никель,неодим). Рекомендуется перед нанесением a-Si:Н осадить на металлической подложке слой (10-30 нм) легированного фосфора. Не целесообразно применения для материалов электрода легко вступающие в реакцию с аморфным кремнием металлы:золото, алюминий,медь и серебро.Это связано с плохой адгезией аморфного кремния по отношению к этим металлам. Напряжение холостого хода (Uxx)фотоэлементов с барьеромШоткине выше 0,6 В.

Процесс использования стеклянных подложек отличается тем что на них наноситсяспециальная прозрачная для света оксидная пленка из оксида олова, трехвалентногооксида индия или из индий 3 олово 4 оксида(SnO2+In2O3).Это позволяет освещать элемент через стекло. БарьерШотки возникает в свези осаждения металлических пленок с высокой работой выхода, в свези со слабымнегелированием слоя электронной проводимости фотоэлемента на основе кремния.
Фотоэлементы на основе аморфного кремния с структурой p-i-nобладаютболее высокой производительностью. Эффективность увеличивается за счет нелегированнойi-области, поглощающею основную долю света. Но и этот вид фотоэлементов не лишеннедостатков: очень малая (~100 нм) диффузионная длина дырок. За счет этого в фотоэлектрических солнечных элементах на основе аморфного кремния носители заряда достигают электродов за счет дрейфа носителя заряда тестьблагодаря внутреннему электрическому полю. Носители заряда в фотоэлементе на основе кристаллических полупроводников, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), и в отсутствие электрического поля достигают электродов. Поскольку в простом p-n-переходе в a-Si:Hдиффузионная длина носителей заряда мала область сильного электрического поля очень узка , в большей части фотоэлементаэффективного разделения носителей заряда не генерируемых при поглощении света происходит,. для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться достаточного для достижения длины дрейфа носителей соизмеримого с размерами области поглощенияво всей i-области однородного мощного внутреннего электрического поля, , (в соответствии с рисунком 7).

Рисунок 7.Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а) и расчетное распределение электрического поля (б)

Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым формировать p-слой (в соответствии с рисунком.8).

Рисунок 8.р-i-n-Структура

Для его создания необходимо небольшое количество бора (<1018 см3), а значит, существенного загрязнения нелегированного слоя не происходит.

В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт. Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света поглощалась в i-области.

Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с легированными бором р-слоями.

Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом: на изолирующей подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H (в соответствии с рисунком 9).

Рисунок 9.Солнечная батарея с поперечным переходом

Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.
Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей — арсенид галлия. Это объясняется таким его особенностями, как:

• почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;
• повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
• высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
• относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
• характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании СЭ

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе —широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.
Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики.

Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства.

Один из основных способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH »1,2–2,0.
Еще один перспективный материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe). У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Получение разнообразных сплавовCdTe c Zn, Hg с другими элементами для создания сплавов с определенными свойствами с технической стороны вопроса не отличаются особо крупными затратами.
Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Эта проблема решилась после добовления в p-i-nструктуру CdTe/ZnTe гетероперехода, добавление структуры снизило высокое сопротивление.
Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe – осаждение поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5–6 мкм. Для этого используют различные способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe, полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей заряда, а СЭ на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2. Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки, покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм .Далее из полученной структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.

Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4–1,5 эВ) и большому коэффициенту поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны. Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.
Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки.
Основа СЭ данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило – цис-(NCS)2бис(4,4’-дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (в соответствии с рисунком 10).

Рисунок 10. Солнечная батарея на основе органических материалов

Фотоэлектрод такого устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид (I-/I3-). Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида.Иодид минуя электролит к фотоэлектролиту, попутно восстанавливает окислительный краситель инжектируя электрон в зону проводимости.
Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин – органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность. Основной недостаток – низкое время жизни носителей вследствие большого числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.

Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра. Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на позолоченной подложке.

Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников. В термофотовольтаической ячейке (в соответствии с рисунком 11) тепло преобразуется в электроэнергию посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов – эрбия и иттербия.

Рисунок 11.Схема термофотоэлектрического солнечного элемента

Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны.Для того чтобы добиться необходимой ширены запрещенной зоныиспользуют InxGa1-xAs, так как он более всего подходит для материала фотоэлектрической ячейки и обладает всеми необходимыми свойствами.
Каскадные фотоэлементы на основе использования арсенида галия.
Большинство современных фотоэлементах обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные структуры из двух и более фотоэлементов с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными .Интенсивность их фото электропреобразования значительно выше , в свези с тем что они поглощают значительно большую часть солнечного спектра[17].
В типичном много переходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2(в соответствии с рисунком 12)изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Рисунок12.Каскадный элемент Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (в соответствии с рисунком 13) .

Рисунок13.Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов a-SiGe:H

Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используетсяi-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Между соседнеми отделениями создают туннельный переход создают связанные между собой сильнолегированными слоями три элемента каскадной солнечной батареи.

1.3.2Термодинамические солнечные электростанции

В устройстве термодинамических солнечных электростанций используют теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Они способны поглощать до 97% попадающего на них солнечного света. Эти элементы даже за счет обычного солнечного освещения могут нагреваться до 200°С и более. С помощью них воду превращают в пар в обычных паровых котлах, что позволяет получить эффективный термодинамический цикл в паровой турбине. КПД солнечной паротурбинной установки может достигать 20%.(В соответствии с рисунком 14)

Рисунок 14.1 – прозрачная двухслойная оболочка.2 – пористое вещество, поглощающее солнечные лучи (древесный уголь) .3 – паровая турбина .4 - конденсатор водяного пара.

Установка работает следующим образом. Солнечные лучи, проходя через прозрачную оболочку 1, попадают на поглощающее вещество 2. В качестве поглощающего солнечную энергию вещества предполагалось использовать древесный уголь, непрерывным слоем покрывающий поверхность воды. Поглощая солнечные лучи, уголь нагревается и испаряет пропитывающую его воду. Водяной пар скапливается под куполом прозрачной оболочки. По оценочным расчетам температура поверхности угля в дневные часы при безоблачном небе должна превышать сто градусов по Цельсию. Поскольку давление водяных паров при ста градусах по Цельсию равно атмосферному, то прозрачная оболочка находится в развернутом положении. Изпод оболочки пар по паропроводу поступает на паровую турбину 3. Пройдя через турбину и, отдав свою энергию, пар охлаждается в конденсаторе 4 и превращается в воду. Температура конденсирующего пара составляет примерно сорок градусов по Цельсию. При такой температуре давление пара составляет всего одну десятую часть атмосферы, то есть перепад давления на паровой турбине составляет 0.9 атмосферы. За счет этого перепада турбина крутится и вращает электрогенератор[18].

Этот эффект послужил основанием для разработки конструкции аэростатной гелио электростанции. Источником энергии в ней является специальная емкость аэростата, заполненная рабочим телом, чаще водяным паром. Внутренняя часть аэростата покрыта специальным светопоглощяющим селективным покрытием и за счет того что внешняя часть баллона пропускает солнечные лучи пар в аэростате нагревается до 150-180°С. Пар образованный в результате этого процесса будет иметь давление идентичное атмосферному и температуру130-150°С. Генерация пара происходит за счет постоянного распыления в нутрии аэростата не нагретой воды.

По средствам гибкого паропровода из аэростата водяной пар отправляется в турбину, пар в специальном конденсаторе при выходе из турбины переходит в жидкое агрегатное состояние. Обратно в аэростат воду подают с помощью специального водяного насоса. Генерация электроэнергии ночью в такой электростанции осуществляется за счет того пара что был накоплен за время солнечной активности. Возможно регулирование мощности в течении суток, в зависимости от необходимых потребностей.

Не решенной на данный момент проблемой аэростатных солнечных электростанций является размещения их в пространстве. Возможны различные варианты размещения таких электростанций : в горной местности, над поверхностью океанов и морей, в воздушном пространстве. При рассмотрении каждого варианта имеются свои положительные и отрицательные стороны. Необходимо учитывать все возможные факторы : климатические и географические условия, длину паропровода, возможные помехе воздушному транспорту[19].

Данный вид солнечных электростанций имеет неплохую перспективу, так как затраты на строительства таких аэростатных станций не большие. Серизной проблемой является закрепления паропровода и большое расстояния от непосредственно аэростата до турбины. Данные технические проблемы можно решить используя в паропроводе материалов термостойких и имеющих большой теплоизоляционный КПД.

СЭС башенного типа.Принцип действия солнечных электростанций башенного типа заключается в получении водяного пара при помощи нагрева специального резервуара с водой с использованием концентрированного солнечного излучения, и дальнейшего получения электроэнергии за счет подачи пара на турбогенератор.

В центре всей системы расположена башня, на вершине которой размещен резервуар-приемник с водой, окрашенный в черный цвет для большего поглощения концентрированного солнечного излучения, и, соответственно, получения большей температуры нагрева самого резервуара с водой. В самой башне также расположена насосная система, осуществляющая доставку водяного пара из резервуара на турбогенератор, расположенный вне башни.

Концентрация солнечного излучения на резервуаре-приемнике осуществляется с помощью системы гелиостатов, размещенных вокруг центральной башни. Гелиостат представляет собой зеркало площадью в несколько квадратных метров, закрепленное на опоре и подключенное к общей системе позиционирования. Система позиционирования, в зависимости от текущего положения солнца, ориентирует каждый гелиостат на центральную башню так, чтобы отраженные лучи попадали точно на приемник. Сложность реализации системы позиционирования заключается в необходимости вращать каждый гелиостат вокруг двух осей практически в реальном времени.

В качестве рабочего тела в тепловом двигателе, помимо использования воды (водяного пара), могут использоваться воздух и гелий, синтетические масла. Также производители экспериментируют с другим теплоносителем — расправленными солями.

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.

Рисунок 15. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов(в соответствии с рисунком15). Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 C.

Первая башенная электростанция под названием “SolarOne” близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать “SolarOne” для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из “холодного” бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где нагревается до 565 C, а затем возвращается в “горячий” бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

“SolarTwo” - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта “SolarTwo” должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт[20].

Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки - на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер “тарелок” позволяет использовать их в небольших установках. Башни и “тарелки” позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее время - уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.

СЭС тарельчатого типа.

Рисунок 16. Солнечная установка тарельчатого типа.

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки(в соответствии с рисунком 16). Жидкость в приемнике нагревается до 1000 градусов и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.

Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (SolarTotalEnergyProject) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике.

Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы “StirlingTechnology”, “StirlingThermalMotors” и “DetroitDiesel” совместно с корпорацией “ScienceApplicationsInternationalCorporation” создали совместное предприятие с капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга[21].

СЭС использующие двигатель Стирлинга.СЭС, использующие двигатель Стирлинга, состоят из непосредственно двигателя Стирлинга с газообразным или жидким рабочим телом соединенного с ним электрогенератора и концентратора в форме параболической антенны.

Поверхность параболической антенны покрыта отражающим световой поток материалом. Именно параболическая форма отражающей поверхности обеспечивает концентрацию солнечных лучей таким образом, что они собираются в одной точке — фокусе параболоида, создавая там очень высокую температуру, превышающую 3,5 тысячи градусов Цельсия. При этом температура напрямую зависит от размеров параболоида. Таким образом, с помощью параболической антенны, осуществляется преобразование солнечной энергии в тепловую энергию.

Для преобразования тепловой энергии, полученной на предыдущем этапе, в электрическую энергию используется двигатель Стирлинга в связке с электрогенератором. Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объеме. Принцип работы объема рабочего тела основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения.

В роли газообразного рабочего тела может выступать не только воздух, но также водород или гелий. В роли жидкого рабочего тела — сжиженный пропан-бутан, вода. В последнем случае вода остается в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла.

Двигатель Стирлинга может работать не только от сжигания топлива, а от почти любого перепада температур, вплоть до перепада температур между разными слоями воды в океане. Именно эта особенность сделала возможным применение двигателя Стирлинга в солнечных электростанциях, где нагрев рабочего тела происходит за счет сконцентрированного солнечного излучения.

Стоит отметить ряд преимуществ двигателя Стирлинга по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. Главное преимущество заключается в том, что в случае преобразования солнечной энергии двигатель Стирлинга дает больший КПД, чем тепловые машины на пару, и может достигать 31,25 процентов. Еще одним важным преимуществом является простота конструкции двигателя, и, как следствие, небывалый для других двигателей ресурс работы. Еще один плюс — бесшумность работы двигателя. Двигатель Стирлинга не расходует рабочее тело и не имеет выхлопа, а значит и не шумит, и более того, практически не имеет вибраций.

В итоге, процесс преобразования солнечной энергии в электрическую выглядит следующим образом: концентратор превращает солнечное излучение в тепло; двигатель Стирлинга превращает тепло, отданное ему концентратором, в механическую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую с помощью электрогенератора.

СЭС, использующие параболические концентраторы.

Рисунок 17. СЭС использующие параболические концентраторы

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель(в соответствии с рисунком 17). Эта жидкость нагревается почти до 400 C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой “LuzInternational”, девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. “LuzInternational” установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему “SolarElectricGeneratingSystem I” (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция “SEGS I” предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции “SEGS II - VII” мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в ХарперЛейк были построены “SEGS VIII и IX”, каждая мощностью 80 МВт[22].

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

СЭС распределенного типа.Солнечная электростанция распределенного типа состоит из большого числа модулей, каждый из которых, в свою очередь, состоит из концентратора солнечного излучения и приемника в виде трубки, в котором концентрируются отраженные солнечные лучи. По трубке-приемнику течет теплоноситель, в качестве которого чаще всего выступает синтетическое масло.

Солнечные электростанции распределенного типа в зависимости от конструкции концентратора подразделяются на два типа — СЭС, использующие параболические концентраторы, и СЭС тарельчатого типа.

СЭС, использующие параболические концентраторы, состоят из зеркал-отражателей в форме желобов. В фокусе параболы устанавливается трубка-приемник, в которой концентрируются отраженные солнечные лучи.

Теплоноситель, протекающий по трубке, нагревается и отдает тепло воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор, где и происходит выработка электричества.

Отличие СЭС тарельчатого типа от СЭС, использующих параболические концентраторы, заключается только в конструкции самого концентратора. СЭС тарельчатого типа состоят из зеркал-отражателей в форме тарелок

Приемник устанавливается на некотором удалении от отражателя, в нем концентрируются отраженные солнечные лучи. Сам процесс выработки электричества полностью совпадает с таковым на СЭС с параболическими концентраторами.

1.3.3 Комбинированные СЭС

Солнечная комбинированная электростанция запускает теплорегуляционые петли теплоотдачи от фотоэлектрических и фототермическихтермогенераторовоснощеныхзеркальными параболоцилиндрическими модулями-концентраторамипредпочтительно арсенид-галлиевыми термостойкими солнечными элементами с максимально возможной высокоточной корекциеей оптических потерь. Электростанция так же оснащена низкотемпературной петлей с гелио корректорами, по сравнении с водой рабочие тело паросилового контура имеет большей КПД и более выгодные термодинамическиесвойства. Двигатели электростанции выполнены в виде объемной роторной паровой машины по металлоемкости и надежности превосходящею паровую турбину. Общий фотодинамический коэффициент превышает другие термобарические солнечные электростанции.

Коэффициент полезного действия чисто термодинамического пароводяного цикла Ренкина не превышает 16% что является недостатком данного вида электростанций. С этим связана большое снижение эффективности землепользования и соответственно высокая стоимость оборудования и очень большой срок окупаемости.

В качестве прототипа принимается известная фототермодинамическая солнечная комбинированная электрическая станция, содержащая циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых включает теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного насоса, соединенного одним своим выходом с входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии, а вторым выходом через дублирующий источник тепла соединенногос входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с пароводяным рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, теплового двигателя с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсатного насоса, содержащая электролизер разложения воды на водород и кислород, инвертор с аккумулятором, систему низкопотенциального теплоснабжения с циркуляционным насосом.

С помощью известной фототермодинамической электростанции не представляется возможным достигнуть выше 20% суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования солнечной энергии при получении электроэнергии.

Данный недостаток, в первую очередь, обусловлен тем, что прототипом предусмотрено применение низкотемпературных, в том числе кремниевых фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей, работоспособных с КПД 10% лишь при температуре не выше 55oC. Поэтому они располагаются на экономайзерах, которые используются, главным образом, для низкотемпературного подогрева с помощью приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии при коэффициенте концентрации менее 20, воды, циркулирующей в сети теплоснабжения и лишь в малой степени для подогрева конденсата, образующегося в паросиловом цикле.

В связи с этим фактором весьма незначителен вклад (менее 5%) сбросного тепла, получаемого при охлаждении низкотемпературных фотоэлементов, в выработку электроэнергии турбогенератором.

Другим фактором, обуславливающим низкий термодинамический КПД прототипа, являются невыгодные термодинамические свойства применяемого рабочего тела - воды в комбинированном фототермодинамическом паросиловом цикле солнечной электростанции. Это, прежде всего, высокие критические параметры водяного пара: давление 21,8 МПа, температура 374oC при высокой теплоте испарения 539 ккал/кг.

По указанным принципиальным причинам суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую в прототипе может быть даже ниже 20%.

Помимо низкого КПД, использование воды в качестве рабочего тела в паросиловом цикле, обуславливающее применение высоких температур и давлений, влечет за собой требование высокой прочности и соответственно металлоемкости оборудования при высокой стоимости, низкой надежности работы и опасности при эксплуатации прототипа.

В прототипе нерационально применение низкотемпературного экономайзера, снабженного приемниками модульного зеркально параболоцилиндрического концентратора со следящей системой.

Низкотемпературный подогрев конденсата и теплофикационной воды может быть осуществлен значительно проще, надежней и дешевле с помощью неподвижных солнечных коллекторов, не требующих концентрации и систем слежения за солнцем.

Экологическим недостатком прототипа является выброс окислов азота в атмосферу с продуктами сгорания, дублирующим источником тепла, выполненным в виде традиционной котельной установки с горелками на газообразном топливе, сжигаемом в периоды отсутствия солнца. При сжигании газообразного топлива в горелке при температуре пламени порядка 2000oC идет интенсивный синтез окислов азота и в атмосферу выбрасывается до 1400 см3 названных окислов на 1 м3 дымовых газов (в пересчете на NO2), крайне токсичных для человека и животных [24].

1.3.4 Космические солнечные электростанции

Конструктивный облик типовой крупномасштабной космической солнечной электростанции в основном определен. При полезной мощности энергосистемы 5 млн. кВт электростанция будет представлять собой грандиозное сооружение массой 20—50 тыс. т. Площадь солнечного коллектора, основанного на малоэффективном, но простом и надежном фотоэлектрическом способе преобразования энергии, составит около 50 км2. Другой, более эффективный термодинамический способ преобразования отличается наличием сложных систем, включая узлы вращения, большой материалоемкостью конструкции, но габариты коллектора-концентратора солнечного излучения у него будут существенно меньшими.

Выведенная на геостационарную орбиту (высота 36 тыс. км)Электростанциястанеткруглосуточно освещаемая Солнцем«повиснет» ,одной точкой земной поверхности практически непрерывно передовая и вырабатывая электроэнергию для Земли. Гелио электростанции небольших мощностей уже достаточно давно используются в космических программах. Принципиальной и нерешённой технологической задачей использования космических электростанций остаётся транспортировка электроэнергии. Транспортировка энергии из космоса на землю теоретический возможна при использовании лазера или СВЧ-излучению. Первый способ предпочтительнее по ряду причин: СВЧ-излучение беспрепятственно проникает сквозь толщу атмосферы, не боится туманов и грозовых туч. У него сравнительно низкие потери при обратноми прямомпреобразовании энергии. Диаметр передающей антенны принимается равным 1 км. Излучаемый такой антенной пучок попадает на приемную антенну, диаметр которой составляет не менее 10 км. Здесь его энергия преобразовывается в электрический ток промышленной частоты, который направляется в энергосистему страны.

Положительные свойства лазерного метода заключается в формировании узкого луча, в малых размерах приемногои передающегоустройств. Однако эффективность прямого и обратного преобразования энергии является невысокой, велики также потери лазерного излучения в атмосфере.

Суммарная эффективность процесса производства, передачи и приема энергии для всей энергосистемы, включая космическую и наземную части, оценивается в 5—20%, в том числе производство электроэнергии — 10—30%, передача-прием энергии — в 50—70%.

Для выведения с Земли на низкую космической солнечной опорную орбиту только одной электростанции потребуется не менее 200 пусков грузовых сверхмощных ракет-носителей, грузоподъемность которых составляет не менее 200 т. При эксплуатации космической солнечной электростанции и их развертывании необходимы дополнительные орбитальные комплексы — грузовые и гражданские корабли-буксиры, ремонтно-эксплуатационныеи сборочно-монтажные станции, наземный центр управления системой[25].

Создание энергосистемы нового типа потребует больших расходов. Только разработка космической солнечной электростанции, включая НИОКР и создание первого полномасштабного образца электростанции, требует 100 млрд. долл. В эту сумму входят расходы на создание сверхмощных грузовых ракет-носителей, межорбитальных буксиров, сборочно-монтажных и ремонтно-эксплуатационных станций. Развертывание системы из 60 космических солнечных электростанций с соответствующими наземными приемными устройствами потребует дополнительно 1 трлн. (1012) долл.

При ресурсе работы каждой электростанции 30 лет, темпах ввода в эксплуатацию 2 шт/год и эксплуатационных расходах около 500 млн. долл/год на каждую электростанцию затраты на 1 кВт установленной мощности составят 4—5 тыс. долл., а коммерческая цена вырабатываемой электроэнергии 8—10 цент/кВт-ч.

Следует отметить, что возмещение затрат на разработку системы (1011 долл.) предполагается осуществлять только через 20—30 лет после начала работ. Это означает удвоение расходов из-за необходимости оплаты процентов на ссуду. Возможность выделения таких средств встретит большие трудности. Напомним читателю, что разработка технических средств по программе «Аполлон» потребовала 25 млрд. долл., а эксплуатация системы началась через 8 лет после начала работ. Изыскание этих средств в 60-е годы встретило значительные трудности, которые были преодолены политическим руководством США на волне антикоммунистической кампании под лозунгом противостояния мнимому господству СССР в космосе.

Выводы по первому разделу:

СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья. Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии, в связи с тем, что основная научная деятельность в энергетики была направлена на развитие атомной энергетики, а солнечной энергии не уделялось должное внимание.

Солнечная энергетика вслед за ядерной в настоящий момент переживает подъем. Такой «ренессанс» связан с ведением политики ужесточения экологических норм для поставщиков электроэнергии и непрерывным ростом.
Солнечная электроэнергетика – наиболее эффективный вид альтернативной, безопасной энергетики в обозримой перспективе человечества.

Основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанций является Германия -17320 МВт, Испания -3892 МВт, Италия-3502 МВт и США-2519 МВт.

На сегодняшний день ведутся исследования по усовершенствованию преобразователей солнечной энергии в электрическую. Тестируются новые виды ТСЭС ,подбираются наиболее подходящие теплоносители. В фото электротехники так же ведутся работы по увеличению КПД фото модулей за счет использования примесей различных химических элементов к кремневой основе фото покрытия.

2 СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ В КАЗАХСТАНЕ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАЦИОНАЛЬНЫМ ПЕРСПЕКТИВАМ ЕЕ РАЗВИТИЯ

2.1 Состояние энергетической отросли в Казахстане и государственные планы ее развития

Казахстан имеет крупные запасы энергетических ресурсов (нефть, газ, уголь, уран) и является сырьевой страной, живущей за счет продажи природных запасов энергоносителей. До 2010 года Казахстан являлся нетто-экспортёром электроэнергии, а после 2010 года является нетто-импортером, то есть потребляет больше электроэнергии, чем производит. Север Казахстана экспортирует электроэнергию, производимую на построенной еще в советское время Экибастузской ГРЭС-1, в Россию, а юг покупает её у Киргизии и Узбекистана.

Производство электроэнергии.

Суммарная установленная мощность всех электростанций Казахстана составляет 19 тысяч МВт, а фактическая мощность — 14 558,0 МВт. Казахстан вырабатывает 87,2 млрд. КВтчас электроэнергии в год (данные 2012 г., против 1053 млрд. КВтчас Россией, и 3900 млрд. КВтчас - США, 4744 млрд. КВтчас - Китаем), то есть электровооруженность Казахстана 3,9 МВтчас/чел в год против 6,7 - в России, 14 - США, 3,2 - в КНР. К сожалению, выработка большинства электростанций не достигает установленной мощности (уровень выработки 1990 года - 87,4 млрд. КВтчас). Выработка по типу электростанций распределяется следующим образом:

-ТЭС (тепловые электростанции) — 87,7 %, в том числе:

- КЭС (конденсационные электростанции) — 48,9 %;

- ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) — 36,6 %;

- ГТЭС (газотурбинные электростанции) — 2,3 %;

-ГЭС (гидроэлектростанции) — 12,3 %[2].

Около 72 % электроэнергии в Казахстане вырабатывается из угля, 12,3 % — из гидроресурсов, 10,6 % — из газа и 4,9 % — из нефти. Таким образом, четырьмя основными видами электростанций вырабатывается 99,8% электроэнергии, а на альтернативные источники приходится менее 0,2% .

Электрические станции разделяются на электростанции национального значения, электростанции промышленного назначения и электростанции регионального назначения.

К электрическим станциям национального значения относятся крупные тепловые электрические станции, обеспечивающие выработку и продажу электроэнергии потребителям на оптовом рынке электрической энергии Республики Казахстан:

ТОО «Экибастузская ГРЭС-1;

АО «Станция Экибастузская ГРЭС-2»;

АО «Евроазиатская Энергетическая Корпорация» (Аксуская ГРЭС);

ТОО ГРЭС «Корпорация Казахмыс»;

АО «Жамбылская ГРЭС»,

а также гидравлические электростанции большой мощности, используемые дополнительно и для регулирования графика нагрузки ЕЭС РК:

Бухтарминская ГЭК АО «Казцинк»,

ТОО «AES Усть-Каменогорская ГЭС»,

ТОО «AES Шульбинская ГЭС».

К электростанциям промышленного значения относятся ТЭЦ, с комбинированным производством электрической и тепловой энергии, которые служат для электро-теплоснабжения крупных промышленных предприятий и близлежащих населенных пунктов:

ТЭЦ-3 ТОО «Караганда-Жылу;

ТЭЦ ПВС, ТЭЦ-2 АО «АрселорМиттал Темиртау»;

Рудненская ТЭЦ (АО «ССГПО»);

Балхашская ТЭЦ, Жезказганская ТЭЦ ТОО Корпорация «Казахмыс»;

Павлодарская ТЭЦ-1 АО «Алюминий Казахстана»;

Шымкентская ТЭЦ-1,2 (АО «Южполиметал») и другие.

Электростанции регионального значения — это ТЭЦ, интегрированные с териториями, которые осуществляют реализацию электрической энергии через сети региональных электросетевых компаний и энергопередающих организаций, а так же теплоснабжение близлежащих городов.

Установленные мощности

Суммарная установленная мощность электростанций Казахстана составляет 18,99 млн кВт. В структуре мощностей 88% приходится на ТЭС, 12% - на ГЭС и менее 1% - на прочие виды генерации. Всего в эксплуатации находятся 63 электростанции.

Основу электроэнергетики Казахстана составляют крупные ГРЭС:

- Экибастузская ГРЭС-1 – 4 млн. кВт;

- Аксуская ГРЭС – 2,1 млн. кВт;

- Жамбылская ГРЭС – 1,2 млн. кВт;

- Экибастузская ГРЭС-2 – 1 млн. кВт.

На р. Иртыш сооружены Бухтарминская ГЭС – 0,7 млн кВт, Усть-Каменогорская ГЭС – 0,3 млн кВт и Шульбинская ГЭС – 0,7 млн кВт. На р. или построена Капчагайская ГЭС – 0,4 млн кВт.

В число крупнейших ТЭЦ, осуществляющих тепло- и электроснабжение крупных промышленных предприятий и близлежащих населенных пунктов, входят: Павлодарская ТЭЦ, Шымкентская ТЭЦ, Балхашская ТЭЦ, Рудненская ТЭЦ и др.

Крупнейшими новыми проектами, которые планируется ввести в ближайшее время, являются:

- Мойнакская ГЭС на р. Чарын (ввести в строй планируется в 2011 году, мощность составит 0,3 млн. кВт),

- Балхашская ТЭС (ввод в эксплуатацию планируется в 2013 году, мощность на первом этапе – 1,3 млн кВт, к 2016 году – 2,6 млн кВт).

С 1973 по 1999 года на п-ове Мангышлак функционировал Мангистауский атомно-энергетический комплекс (бывшая Шевченковская АЭС) мощностью 52 тыс. кВт (на момент закрытия). Производимая электроэнергия использовалась для опреснения морской воды.

Производство и потребление электроэнергии.

В 2011 году в Казахстане было произведено 85,9 млрд кВт ч электроэнергии (+5,4% к 2010 году). В структуре производства электроэнергии доля ТЭС составила 91%, ГЭС – 9%, ВИЭ – менее 0,5%.

Согласно Государственной программе по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан доля возобновляемых источников энергии в общем объеме производства электроэнергии к 2015 году должна превысить 1%.

Потребление электроэнергии в Казахстане в 2010 году составило 83,8 млрд кВт-ч, при этом доля промышленности достигла 85,3%, населения – 11,9%, транспорта – 2,5%.

В 2010 году Казахстаном было импортировано 6,2 млрд кВт-ч электроэнергии, в том числе 4,6 млрд кВт-ч из России и 1,6 млрд кВт-ч – из Киргизии. Электроэнергия из России поставляется потребителям Западного Казахстана, из Киргизии – потребителям южных регионов страны.

В 2010 году экспорт электроэнергии из Казахстана, по предварительным данным, составил 4,7 млрд кВт-ч.

Потребители электроэнергии:

промышленность — 68, 7 %

домашние хозяйства — 9,3 %

сектор услуг — 8 %

транспорт — 5,6 %

сельское хозяйство — 1,2 %.

Электрические сети

Эффективность использования электроэнергии из-за концентрации производителей в одном месте и нахождении потребителей в другом, а также от большой разницы в пиковых потреблениях, во многом зависит от эффективности системы передачи электрической энергии, которая в Казахстане развита совершенно недостаточно и неравномерно. Большая часть ЛЭП построена еще в советское время и имеет износ (возрастание омического сопротивления от коррозии, ухудшение электроизоляции и пр.) порядка 75%.

Общая протяжённость электрических сетей общего пользования в Республике Казахстан составляет:

сети с напряжением 1150 кВ — 1,4 тыс. км (в настоящее время эксплуатируются на напряжении 500 кВ)

сети с напряжением 500 кВ — более 5,5 тыс. км

сети с напряжением 220 кВ — более 20,2 тыс. км

сети с напряжением 110 кВ — около 44,5 тыс. км

сети с напряжением 35 кВ — более 62 тыс. км

сети с напряжением 6—10 кВ — около 204 тыс.

При передаче и распределении электроэнергии имеются большие потери — 21,5 %, а для сельских линий типичным уровнем является 25 - 50% потерь.

Линии электропередачи и распределительные сети Казахстана разделены на 3 части: две на севере и одна на юге, каждая из которых соединена с какой-либо внешней энергетической системой (Единой энергетической системой России на севере и Объединённой энергетической системой Средней Азии на юге). Соединяются эти системы между собой только одной линией. В настоящее время ведётся строительство второй линии, соединяющей Северную и Южную энергосистемы и рассматривается возможность строительства линии, соединяющей Западную энергосистему с Северной.

Наиболее выгодным для Казахстана является расширение, модернизация и коренное улучшение инфраструктуры государственной системы электрических сетей, которая обеспечит доступность дешевой и стабильной электроэнергии для всех потребителей и полное использование мощности угольных и гидроэлектростанций.

Основными энергетическими компаниями казахстана являются:

Мангистауский Атомно-Энергетический Комбинат — генерирующая компания Актау, энергоснабжающая организация Мангистауской области

Самрук-Энерго — государственный энерго холдинг

KEGOC — национальный оператор сетей

Алатау Жарык Компаниясы — распределительная электросетевая компания Алматы

АлматыЭнергоСбыт — энергоснабжающая организация Алматы

Алматинские Электрические Станции — генерирующая компания Алматы

Актобе ТЭЦ — генерирующая компания Актобе

АстанаЭнергоСбыт — энергоснабжающая организация Астана

Атырау Жарык — распределительная электросетевая компания Атырау

Уран Энерго — сетевая компания

Основные ЛЭП Казахстана и их связь с иностранными сетями

Угольная энергетика

72% электроэнергии в Казахстане вырабатывают 37 тепловых электростанций, работающих на углях Экибастузского, Майкубинского, Тургайского и Карагандинского бассейнов. Крупнейшая из построенных в Казахстане — ГРЭС-1 Экибастуза — 8 энергоблоков с установочной мощностью 500 МВт каждый, работающих на бурых углях местных угольных разрезов, однако, в настоящее время располагаемая мощность станции составляет 2250 МВт. Наибольшую выработку электроэнергии осуществляет Аксусская (Ермаковская) ГРЭС. В 2006 году эта станция выработала 16 % всей электроэнергии, произведённой в Казахстане. Таким образом ресурс имеющейся мощности используется только на 55%. Мешает полному использованию два основных фактора: низкий уровень добычи углей и неразвитость казахстанской инфраструктуры ЛЭП, когда электрическая энергия не может быть эффективно доставлена на всю территорию страны. Это привело к такой ситуации, когда значительная часть электрической энергии экспортируется в Россию по ЛЭП, построенным еще в советское время.

Угольная энергетика, к сожалению, дает и основное загрязнение природной среды. Так как в Экибастузе используется бурый уголь с высоким, более 30% содержанием минеральных веществ, то шлейф выбросов угольных тепловых электростанций распространяется на весь северо-восток Казахстана, Сибирь и Монголию. Среди этих минеральных веществ много экологически очень вредных, ядовитых.

Альтернативной технологией является подземная газификация угля, которая позволяет:

- исключить подземные (шахтные и карьерные) работы, а значит исключить травматизм и жертвы среди шахтеров;

- более полно вырабатывать месторождения угля;

- существенно меньше затрачивать средств на разработку месторождений угля;

- сохранять нетронутым природный ландшафт в местности разработки;

- сохранить природную среду от загрязнения продуктами сгорания угля;

- получать ценное сырье для химической промышленности.

Комплексная технология газификации угля заключается в поджиге угольного пласта через скважины, извлечение горючего газа, образующегося при нагреве угольного пласта, выделения из него от него конденсированием ценных органических веществ и использование газа для получения электроэнергии на тепловой газовой электростанции.

Гидроэлектроэнергия.

В Казахстане имеются значительные гидроресурсы, теоретически мощность всех гидроресурсов страны составляют 170 млрдкВт·ч в год, то есть только незначительная часть гидроэнергоресурсов используется в настоящее время.

Основные реки: Иртыш, Или и Сырдарья. Экономически эффективные гидроресурсы сосредоточены в основном на востоке (горный Алтай) и на юге страны. Крупнейшие ГЭС: Бухтарминская, Шульбинская, Усть-Каменогорская (на реке Иртыш) и Капчагайская (на реке Или) обеспечивающие 10 % потребностей страны.

В Казахстане планируется увеличение использования гидроресурсов в среднесрочном периоде. В стадии строительства находится Мойнакская ГЭС (300 МВт), проектируются Булакская ГЭС (78 МВт), Кербулакская ГЭС (50 МВт) и ряд малых ГЭС.

К сожалению, постройка гидроэлектростанций часто связана с нарушением природной среды: из оборота изымается много сельскохозяйственных и заповедных земель, нарушается нерест рыбы и вся речная экология , вырубаются леса под строительство ЛЭП.

Электроэнергия из природного газа.

В Казахстане имеются значительные ресурсы попутного газа, добываемого вместе с нефтью. Его сжигание дает до 10% электроэнергии страны, составляя основную ее часть на западе Казахстана.

Хотя электростанции на газе высокоэкологичны, но сжигание такого ценного для химической промышленности продукта совершенно нерационально и полностью соответствует фразе великого химика Д.И. Менделеева, который сравнивал такое сжигание с использованием банковских ассигнаций в качестве топлива.

Электроэнергия из мазута, нефтяных отходов.

К сожалению, Казахстан экспортирует большую часть своей нефти в сыром виде. Это несет в себе многократный ущерб:

фактически отнимается собственность будущих поколений, продаваемая за рубеж по цене как минимум на порядок ниже той, которая будет в будущем,

из-за отсутствия переработки основной части нефти в Казахстане теряется выгода от продажи готовых дорогих продуктов крекинга,

теряется возможность развития собственной нефтехимии на базе продуктов перегонки нефти.

теряется возможность развития мазутной и нефтешламовой электроэнергетики, которая в Казахстане составляет менее 5% от вырабатываемой электроэнергии, тогда как, к примеру, в США этот сектор энергетики является основным. В результате США имеет очень дешевую электроэнергию и ее мировой максимум на душу населения.

Альтернативным рачительным и экологичным решением может быть постройка нефтеперегонных заводов, производящих с помощью крекинга - разделения нефтяных фракций более дорогих и готовых к употреблению нефтепродуктов, и веществ для химической промышленности, а для энергетики - производство дешевого и более экологичного, чем бурый уголь, топлива - мазута.

Атомная энергия.

Единственная атомная электростанция в Казахстане находилась в городе Актау с реактором на быстрых нейтронах с мощностью в 350 МВт. АЭС работала в 1973—1999 годах. В настоящий момент атомная энергия в Казахстане не используется, несмотря на то, что запасы урана в стране оценены в 469 тысяч тонн. Основные залежи находятся на западе в Мангыстау, на востоке Казахстана и между реками Чу и Сырдарья. Сейчас рассматривается вопрос о строительстве новой атомной электростанции мощностью 1900 МВт около озера Балхаш. По мнению экспертов - сейсмологов данная местность находится в зоне повышенного сейсмического риска, что показало Баканасскоеземлетрясение 1979 года магнитуды Ms=6. Сам проект является "наследственно-лоббируемым", так как остался как наследство от проекта военной АЭС, разработанного в советское время для полигона ПРО "Сарышаган-Приозерск", предназначенный для импульсной работы, то есть кратковременных пусков системы лазерной ПРО, то есть совершенно непригоный для гражданских нужд, но ныне лоббируемый Атоммашем РФ, так как уже разработан и готов к продаже.

Атомная энергетика является источником повышенного риска катастрофического типа, когда все текущие малые преимущества по ее использованию перекрываются ущербом от возможных и реально происходящих катастроф, таких как Чернобыльская катастрофа и Фукусимская катастрофа.

Альтернативные источники электроэнергии.

Удельный вес альтернативных энергоресурсов в Казахстане сегодня составляет не более 0,2 % суммарной выработки электроэнергии.

электросетей, так и совершенно не учитывает интересов основных производителей электроэнергии, выдающих дешевую, стабильную, высококондиционную электроэнергию в общую сеть.

Солнечная энергетика.

Использование солнечной энергии в Казахстане также незначительно, при том, что годовая длительность солнечного света составляет 2200—3000 часов в год, а средняя мощность 130 — 180 Вт/м2.

Такое положение связано с тем, что

стоимость электрической энергии и энергоносителей в Казахстане относительно низка, а поэтому солнечным электростанциям трудно конкурировать с тепловыми и дизельными;

Ветровая, солнечная энергетики являются идеально экологичными, так как совершенно не загрязняют природную среду. Кроме того при правильной организации солнечные электростанции могут улучшить инсоляционный баланс поверхности в условиях аридной переинсоляции на юге, и тем самым создать микроклимат для более эффективного сельскохозяйственного использования земли.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в течение последних лет позиционируются Казахстаном в качестве одного из векторов развития энергетического комплекса. Об этом свидетельствуют и усиление внимания к процессу их внедрения со стороны государства и ряда бизнес структур. Однако, формирование устойчивого комплекса ВИЭ в Казахстане обуславливает значительные финансовые и технологические вливания при непосредственном участии государства, без которых возобновляемая энергетика останется на фактически нулевом уровне.

Потенциал ВИЭ в Казахстане Казахстан имеет достаточно обширный потенциал возобновляемой энергетики.

Текущее состояние дел по сути, ключевым фактором использования ВИЭ в Казахстане, также как и во всем мире, является необходимость снижения негативного воздействия энергетики на окружающую среду. В частности, по итогам 2009 года, как показывают данные Министерства охраны окружающей среды РК, объем выбросов в атмосферу загрязняющих веществ составил 3,4 млн т, из которых 85% приходится на 43 крупных предприятия. При этом именно доля энергетики составляет 87% от общих национальных эмиссий выбросов парниковых газов или 214,4 млн т СО2 эквивалента[28].

Напомним, что в настоящее время в Казахстане до 85% от общей выработки электроэнергии производится путем сжигания органического топлива, в основном, местных углей, в меньшей степени – углеводородного сырья. Около 10% выбросов в атмосферу страны от стационарных источников и образование значительной доли токсичных отходов приходится и на предприятия, занятые в сфере добычи сырой нефти и попутного газа. Общее сокращение выбросов парниковых газов от энергетики при использовании возобновляемых источников энергии может составить от 500 тыс. т до 2,5 млн т СО2. Кроме экологических преимуществ имеются и существенные экономические выгоды. В частности, использование ВИЭ для выработки и поставки электроэнергии в существующие сетевые энергосистемы может быть экономически оправданным в энергодефицитных районах Казахстана. При этом именно возобновляемая энергетика может стать ключевым фактором развития отдаленных регионов страны. Однако объективно, что объекты возобновляемой энергетики остаются менее рентабельными и значительно более капиталоемкими по сравнению с традиционными. При этом использование ВИЭ достаточно скептически воспринимается частным бизнесом, в том числе ввиду недостаточной осведомленности и отсутствия опыта и их использования. Это обуславливает необходимость избирательного подхода к их внедрению, в то время как придает особое значение государственной поддержке сектора.

Несмотря на предпринимаемые на государственном уровне меры, в Казахстане возобновляемая и альтернативная энергетика (исключая крупные ГЭС) не развита. Вплоть до настоящего времени в республике не реализовано ни одного крупного проекта в этой сфере, несмотря на ряд попыток строительства, в частности, ветроэнергетических комплексов. К примеру, по данным Министерства охраны окружающей среды РК, доля альтернативных источников энергии к общему объему энергогенерации в 2010 году составила только 0,03%; по данным Министерства индустрии и новых технологий РК – 0,46% (с учетом малых ГЭС). Согласно информации КазНИИ энергетики им. Ш. Чокина, действующие мощности ВИЭ представлены, главным образом, несколькими мини-ГЭС. Это кардинально ниже фиксируемого уровня развития ВИЭ в развитых странах мира. Для сравнения, даже в России, которая находится в числе мировых аутсайдеров по использованию передовых ВИЭ, их доля фиксируется на уровне 1% от общей выработки электроэнергии, в то время как удельный вес производства тепловой энергии, полученной на их базе,достигает около 3%.

Определенные надежды можно связывать с принятием в течение последних нескольких лет законодательной базы и ряда отраслевых программ, которые нацелены на поддержку ВИЭ. Уже сейчас можно говорить о повышении интереса со стороны инвесторов, в том числе и иностранных (прежде всего Китай и Германия), к проектам ВИЭ в Казахстане, в связи принятием ключевых положений республиканской законодательной базы. Казахстан первым из центральноазиатских государств разработал стратегию перехода к низкоуглеродной экономике, уделяющей место и ВИЭ. К примеру, на конференции по изменению климата в Копенгагене, состоявшейся в декабре 2009 года, в рамках реализации Киотских соглашений Казахстан принял добровольные обязательства по снижению парниковых газов: к 2020 году на 15%, к 2050 году – на 25% по отношению к уровню 1992 года.

В частности, в рамках отраслевой Программы «Жасыл даму» на 2010-14 годы предусматривается снижение выбросов в атмосферу по сравнению с 2009 годом как минимум на 5,9%. Принятый в 2009 году Закон Республики Казахстан «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» установил правовые, экономические и организационные основы стимулирования использования ВИЭ для производства электрической и тепловой энергии и определяет меры их поддержки. В частности, рассматриваемый Закон предусматривает предоставление инвестиционных преференций для проектов ВИЭ, приоритетность использования «чистой» электроэнергии на рынке и при ее передаче по сетям, а также поддержку через систему сертификатов, контролируемую государством[29].

В соответствии со Стратегическим планом развития Республики Казахстан до 2020 года доля альтернативных источников энергии 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 возобновляемыми источниками энергии электроэнергии в 2014 году на уровне 1 млрд кВт/ч в год. Напомним, что 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. Общая сумма инвестиций в проекты ВИЭ может составить более 107 млрд тенге, в том числе собственных средств – 21,4 млрд тенге, заемных – 85,6 млрд тенге.

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 механизмэкономического 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 централизованноготеплоснабжения 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.

Развитие альтернативной энергетики в курортных районах позволит не только сгладить пик потребления энергии на протяжениирекреационного сезона, но и значительно снизить производственную мощность котельных, работающих на традиционном топливе, а значит, значительно снизить химическое и тепловое загрязнение окружающей среды.

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 смонтирова на 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 таблице12 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 данныхможно 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.

2.3 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
2. Находится удельная мощность для требуемого уровня освещенности:

, (6)

где Е – требуемая освещенность, в лк.

1. Определяется общая требуемая мощность ламп Ртр:

, (7)

где - площадь освещения.

1. Задается мощность используемой лампы Рлампы.
2. 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.
3. Удельная мощность для требуемого уровня освещения:

Вт/м2.

1. 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:

1. Светодиодный светильник: SVETECO.

2. Солнечный элемент: ТСМ-180.

3. Аккумулятор: RA12-100DG.

Дополнительные устройства:

1. 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.

Источник питания (драйвер):В драйвере нового поколения применен корректор коэффициента мощности, что позволяет более эффективно использовать энергию сети. В противном случае необходимо закладывать в проекты более мощные трансформаторные подстанции. Светодиодный источник питания – Драйвер имеет четырехступенчатую систему защиты от аномального напряжения сети и позволяет защитить светильник от бросков напряжения до 1000 Вольт (опционально):

1 ступень. Электронный самовосстанавливающийся предохранитель.

2 ступень. TVS диод защищает от перенапряжения сети ограничивая выброс напряжения до безопасного.

3 ступень. Электронный блок высоковольтной защиты. В случае выхода за пределы питающего напряжения, блок отключает драйвер от сети, спасая от выхода из строя светильник и всего элементы. Как только напряжение в сети стабилизируется, электронный блок снова включает светильник.

4 ступень. Система гальванической развязки. Позволяет защитить светодиоды от перегорания в случае выхода из строя источника питания.

Фотоэлектрический модуль ТСМ-180(стоимость-165000 тенге)

Кремниевый монокристаллический модуль под стеклом в алюминиевой рамке. На обратной стороне находится клеммная коробка. Модуль односторонний.

В этом модуле применено специальное текстурированное стекло, в котором потери световой энергии минимизированы. Это позволило получить примерно на 15% больше мощности с единицы площади модуля[17].

Рисунок 22.Фотоэлектрический модуль ТСМ-

Технические характеристики:

- мощность: 180 Вт ±5%;

- напряжение холостого хода: 21±5% В;

- напряжение при работе на нагрузку: 17±5% В;

- ток при работе на нагрузку: 10,4±5% А;

- габариты: 1308 х 908 х 38 мм;

- температура эксплуатации и хранения: -40..+50 °С;

- вес: 18.9 кг.

Параметры измерены при стандартных условиях (освещенности 1000 Вт/м2 и температуре 25 °С).[18]

Аккумулятор RA12-100DG(стоимость-50000 тенге)

Аккумуляторы RITAR хорошо известны стабильностью и надежностью своей работы. Они просты в обслуживании, при этом обеспечивают безопасное и правильное функционирование оборудования.

Эти аккумуляторы способны выдерживать перезаряд, глубокий разряд, вибрацию и удары. Они также могут длительное время находиться в режиме ожидания.

Рисунок 23. Аккумулятор RA12-100DG

Основные особенности:

- неизменное качество и высокая надежность;

- герметичность конструкции;

- длительный срок службы в буферном или циклическом режиме;

- функционирование, не требующее обслуживания;

- клапанная система низкого давления;

- решетки усиленного типа;

- низкий саморазряд.

Технические параметры:

- емкость: 100 Ач;

- напряжение: 12 В;

- габариты: 388*172*217 мм;

- вес: 33,5 кг

Определение значения необходимой емкости аккумуляторной батареии их количества

Принимаем, что максимальное число последовательных "дней без солнца" в связи с круглогодичным режимом работы и использованием общей энергосети, то есть в условиях, когда подзарядка аккумуляторных батарей может осуществляться в любое время суток и в любой день Nбс=1.

Суммарная емкость аккумуляторов, учитывающая количество дней без солнца:

Ач.

Задаемся величиной глубины допустимого разряда аккумуляторной батареи 50%. Соответственно коэффициент использования =0,5.

Заряд аккумуляторной батареи с учетом глубины разряда:

Ач.

Общая требуемая емкостьаккумуляторных батарей:

Ач.

Так же в состав полностью укомплектованного фонаря уличного освещения входит :

1.Инвертор - это преобразователь постоянного тока напряжения 12 вольт (или 24 вольта) в переменный ток напряжения 220 вольт. Источниками постоянного тока 12 вольт являются аккумуляторные батареи или солнечные батареи.стоимость-4500 тинге

Прибор имеет следующие особенности:

- бесшумное и высокоэффективное функционирование

- индикаторы и селекторные переключатели на передней панели

- возможность выбора типа батарей

- принудительное внутреннее охлаждение воздушным потоком: вентиляторы с переменной скоростью вращения

- автоматическая защита от перегрузки и превышения температуры

- защита от полного разряда и перезаряда батарей

- высокая скорость переключения с батарей на сеть и обратно

- крайне малое потребление тока в режиме ожидания (менее 1 Вт)

- возможна работа с генератором.

Энергии постоянного тока с учетом потерь в инверторе потребуется:

кВтч.

Вт.

Выбираем инвертор SiminSIM-1500P. Номинальное напряжение инвертора , номинальная мощность: .

Число Ампер-часов в неделю, требуемое для покрытия нагрузки переменного тока:

Для того чтобы выбрать инвертор, разделим значение на число часов за неделю, то есть на 7*24=168 ч:

Ач.

Суточное значение потребляемыхАч:

Ач.

Для организации освещения на участке протяжённостью 1000 метров потребуется 50 светильников с шагом установки опор 40 метров. Стоимость одного светильника, без учёта дополнительного оборудования (модемов, фотореле и дополнительных устройств) равна365000 тенге. Стоимость светильников на один километр дороги равна 18250000 тенге

2.4 Расчет экономической эффективности обоснованных предложений

Проект наружного освещения с применением солнечных батарей.

- 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. 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 160 ват работающего 12 ч в сутки в месяц затрачивается(0.1612ч3018т за кил час )=1037тенге в месяц. За год затрачивается 12442 тенге. Таким образом проект уличного освещения окупится только через 10 лет.

В предлагаемой системе освещения экономия происходит за счёт:

- автоматизированной системы управления;

- отсутствия расходов на электроэнергию;

- использования светодиодных светильников.

Дополнительные расходы:

- из-за чувствительности солнечных батарей к загрязнению требуются мобильные бригады для очистки солнечного элемента от загрязнения;

Вывод: проект с применением солнечных батарей дороже существующих классических проектов уличного освещения в несколько раз. Это обусловлено в первую очередь применением передовых технологий и соответственно более высокой стоимости оборудования.Иммено в высокойстоймости и заключается главный недостаток использования солнечного излучения.

Выводы по второму разделу:

Использование солнечной энергии в Казахстане незначительно (0.2%), при том, что годовая длительность солнечного света составляет 125-160 дней в год, а средняя мощность 130 — 180 Вт/м2.

Такое положение связано с тем, что стоимость электрической энергии и энергоносителей в Казахстане относительно низка, а поэтому солнечным электростанциям трудно конкурировать с тепловыми и дизельными;

Для развития солнечной энергетики требуется принятие ряда нормативно-правовых актов на уровне Кабинета Министров, определяющих механизмэкономического стимулирования, а также введение в нормативы по промышленному, коммунальному и курортному строительству условий обязательного применения технологий возобновляемой энергии на стадии проектных разработок.

Казахстанская энергетика имеет огромный потенциал в получение электричества с помощью фотоэлектрических преобразователей. 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.

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.

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

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:

,

где Е – требуемая освещенность, в лк.

Определяется общая требуемая мощность ламп Ртр:

,

где - площадь освещения.

Задается мощность используемой лампы Рлампы.

Определяется количество ламп,

.

Для организации освещения на участке протяжённостью 1000 метров потребуется 50 светильников с шагом установки опор 40 метров. 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 160 ват работающего 12 ч в сутки в месяц затрачивается(0.1612ч3018т за кил час )=1037тенге в месяц. За год затрачивается 12442 тенге. Таким образом проект уличного освещения окупится только через 15 лет.

В предлагаемой системе освещения экономия происходит за счёт:

- автоматизированной системы управления;

- отсутствия расходов на электроэнергию;

- использования светодиодных светильников.

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

3 ОХРАНА ТРУДА

Ультрафиолетовое излучение — неионизирующее электромагнитное излучение оптического диапазона с длиной волны = 400—10 нм и частотой 1013—1016 Гц. Условно делится на ближнее (400—200 нм) и дальнее, или вакуумное (200—10 нм). По международной классификации подразделяется на следующие области (, нм):

А400—320(длинноволновое, ближнее)

В320—280(средневолновое — загарная радиация)

С280—200 (коротковолновое — бактерицидная радиация)

Солнце является источником радиации в широком диапазоне длин волн. До поверхности Земли доходит УФ-излучение в диапазоне 400—280 нм, более короткие волны УФ-излучения Солнца поглощаются озоном стратосферы. Избыточному воздействию солнечной радиации подвергаются люди, работа которых связана с пребыванием на открытом воздухе (сельскохозяйственные рабочие разных специальностей, строительные и железнодорожные рабочие, спасатели, шахтеры открытых разработок, персонал солнечных электростанций и др[20].

В первую очередь воздействие УФ излученя влияет на кожные покровы и органы зрения. Установлено, что оно может сопровождаться и общими неблагоприятными реакциями организма. Наиболее подвержен повреждающему действию УФ-излучения зрительный анализатор. Острые поражения глаз, т. н. электроофтальмии (фотоофтальмии), представляют собой острый конъюнктивит. Заболеванию предшествует латентный период, продолжительность которого чаще всего составляет 12 ч. Проявляется заболевание ощущением наличия постороннего тела (песка) в глазах, светобоязнью, слезотечением, блефароспазмом. Нередко обнаруживается эритема кожи лица и век, заболевание длится 2—3 дня. С хроническими поражениями связывают хронический конъюнктивит, блефарит, катаракту хрусталика. Профилактические мероприятия по предупреждению электроофтальмий сводятся к применению светозащитных очков или щитков при электросварочных и др. работах.

Поражения кожи проявляются в виде острых дерматитов с эритемой, иногда отеком, вплоть до образования пузырей. Наряду с местной реакцией могут отмечаться общетоксические явления с повышением температуры, ознобом, головными болями, диспепсическими явлениями. В дальнейшем наступают гиперпигментация и шелушение. Классическим примером поражения кожи, вызванного УФ-излучением, служит солнечный ожог. Хронические изменения кожных покровов, вызванные УФ-излучением, выражаются в "старении" (солнечныйэластоз), развитии кератоза, атрофии эпидермиса; возможны злокачественные новообразования. Для защиты кожи от УФ-излучения используются защитная одежда, противосолнечные экраны (навесы и т. п.), специальные крем[21].

В целях профилактики неблагоприятного воздействия УФ-излучения важно соблюдать гигиенические нормативы, в частности СН № 4557—88 "Санитарные нормы ультрафиолетового излучения в производственных помещениях".

Минздравом Казахстана утвержденыМетодические указания № 5046—89 "Профилактическое ультрафиолетовое облучение людей". Наряду с перечнем требований к облучательным установкам длительного и кратковременного действия, контролю за УФ-облучением, проектированию и экспуатации УФ-оборудования, этот документ устанавливает нормы УФ-облученности и дозы за сутки в эффективных и энергетических единицах. Параметры УФ-облученности и суточной дозы подразделяются на минимальные, максимальные и рекомендуемые. В качестве одного из требований к облучательным установкам регламентируется диапазон УФ-излучения от 280 до 400 нм.

Максимальные уровни УФ-облученности не должны превышать:

45 мВт/м2 — от люминесцентных ламп в рабочих помещениях промышленных и общественных зданий, в помещениях детских больниц и санаториев при продолжительности ежесуточного облучения 6—8 ч;

16,5 мВт/м2 — от облучательных установок длительного действия с осветительно-облучательными лампами независимо от времени облучения, вида помещения и возраста облучаемых;

7,2 Вт/м2 для взрослых и 4,8 Вт/м2 для детей — от облучательных установок кратковременного действия (в фотариях).

Контроль за уровнями УФ-излучения обеспечивается с помощью специальных радиометров, в частности дозиметра ДАУ-81 и спектрорадиометра ОРП с насадками для измерения облученности в спектральных областях УФ-А, УФ-В, УФ-С. Разработаны малогабаритные переносные приборы серии "Аргус" для измерения энергетических характеристик УФ-излучения[22].

При использовании в производственном помещении нескольких УФ-генераторов возникает отраженное действие (наработающих) излучения, которое может быть значительно ослаблено путем окраски стен с учетом коэффициента отражения. Защитная одежда должна иметь длинные рукава и капюшон. Глаза защищают специальными очками со стеклами, содержащими оксид свинца, но даже обычные стекла не пропускают УФ-лучи с длиной волны меньше 315 нм.

4 СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

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.

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 возрасла 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 далжно 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(0.2412ч30д18т 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:

1.Целисообразно 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.

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

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

4.Обеспечить отрасль специалистами необходимого уровня знаний и соответствующей квалификации.

5.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

2. Стратегическая программа Развития «Казахстан-2030»

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

4. Энергетическая стратегия Республики Казахстан до 2015 года

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

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

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

8.Жансеитов Р. Развитие мировой альтернативной энергетики и оценка ее влияния на нефтегазовую отрасль [Электрон.ресурс]. URL:www.airi.kz.

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

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

11. Перспективы развития мировой энергетики [Электрон.ресурс]. – 2011. URL: http://coolreferat.com.

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

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

14. Солнечная энергетика и солнечные батареи [Электрон.ресурс] .URL: solar-battery.narod.ru

15. Андреев Е.И. Основы естественной энергетики // СПб:. Издательство «Невская жемчужина», 2004 год. - 584 с.

16. [Электрон.ресурс]. 2012. URL: http://msk.pulscen.ru/products/akkumulyator.

17. [Электрон.ресурс]. 2011. URL: http://bourabai.kz/toe/kazenergy.

18. Емельянов А. Альтернативная энергетика в России и мире [Электрон.ресурс]. http://www.eifgaz.ru/emelyanov43-10.htm

19. Голицын М.В., Голицын А.М., Пронина Н.М. Альтернативные энергоносители // М: Наука, 2004. - 159 с.

20. [Электрон.ресурс]. 2012. URL:wikipedia.org

21. [Электрон.ресурс].2012. URL www.slideshare.net

22. Бабкина А . «В Казахстане строят солнечную электростанцию» 2012-11-23. [Электрон. ресурс]. URL: http://centralasiaonline.com

24. Коровкин С.В. Великий поход за энергией. Солнечная энергетика Тайваня [Электрон.ресурс].2006. URL :www.t3000.ru

25. Автономные источники питания. – Лекции. Бекиров Э.А.– Симферополь, 2010.-250 с.

26. Грицевич И.Г. Климат и Энергетика. Перспективы и сценарии низкоуглеродного развития: ЕС, Китай и США в глобальном контексте // М.: Скорость цвета, 2011. – 36 с.

27. Деникин А.С., СокотущенкоВ.Н.Методические указания по выполнению курсовых работ и курсовых проектов // Дубна :Междунар. ун-т природы, о-ва и человека «Дубна», 2012. -24 с.: 1 ил.

28. Воронин С.М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: курс лекций // Лекции. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008. - 126 с

29. Обухов С.Г. Системы генерирования электрической энергии с использованием возобновляемых энергоресурсов // Учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 140 с.

30. Солнечные электростанции.[Электрон. ресурс].2013. URL :http://aenergy.ru

31. Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии // Учебное пособие. – 1-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 294 с.

32. Полупроводниковые фотоприемники и преобразователи излучений: Пер. с англ./Под ред. А. И. Фримера, И. И. Таубкина. М.: Мир. 1965. 576 с.6

33. Кундас С.П. (ред.) Энергосбережение и возобновляемые источники энергии // Минск, МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2011, 160 стр.

34. Бутко В. Н. Перспективы развития транспортной системы как материальной базы процесса глобализации мировой экономики //Вестник науки КСТУ им. акад. З. Алдамжар (серия социально-гуманитарных наук). – 2011. №2. – С. 36 –

35. Сборник научных работ студентов и магистрантов Костанайского социально – технического университета имени академика ЗулхарнаяАлдамжар. Костанай 2013 год. Украинец М. С. «Состояние и перспективы развития солнечной электроэнергии в Республике Казахстан» стр.424. 478

36. Вестник науки Костанайского социально-технического университета имени академика ЗулхарнайАлдамжар. Бутко В.Н.,Украинец М.С. «Состояние и мировые перспективы развития солнечной электро-энергетики» стр. 49.166

37. [Электрон.ресурс]. 2012. URL :http://www.ledel.ru

38. [Электрон.ресурс]. 2010. URL:http://www.solarhome.ru/.

39. Бутко В. Н. Перспективы развития мировой энергетики // Вестник науки Костанайского социально-технического университета – Серия социально-гуманитарных наук. – Костанай: КСТУ, 2012, №4, с.73-82.

PAGE \* MERGEFORMAT7

Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики