Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики

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 протяжении рекреационного 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 смонтирована 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 таблице 12 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 данных можно 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.

3. Определяется общая требуемая мощность ламп Ртр:

, (7)

где - площадь освещения.

4. Задается мощность используемой лампы Рлампы.

5. 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.

4. 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 г=0,5.

Заряд аккумуляторной батареи с учетом глубины разряда:

Ач.

Общая требуемая емкость аккумуляторных 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 потребляемых Ач:

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 (0.16Ч12чЧ30Ч18т 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 высокой стоймости 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 механизм экономического 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) равна 365000 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 (0.16Ч12чЧ30Ч18т за кил час)=1037 тенге 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 л = 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 (л, 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 излучения 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" (солнечный эластоз), 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 утверждены Методические указания №5046--89 "Профилактическое ультрафиолетовое облучение людей". Наряду с перечнем требований к облучательным установкам длительного и кратковременного действия, контролю за УФ-облучением, проектированию и эксплуатации 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 спектрора диометра 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 (на работающих) 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. солнечный электроэнергетика станция казахстан

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

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

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

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

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

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



Заключение

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

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

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

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

Казахстан обладает большим потенциалом в области солнечной электроэнергетики: 265 млн. тонн кварцитов и 65 млн. тонн высокочистого кварца, объем производства отечественного галлия -- 22 т, ежегодно производится около 2 тысяч тонн триоксида мышьяка .Количество солнечных дней в год составляет 125-160, энергия солнечного излучения равняется 1,300-1,800 кВт/м2/год. Следует отметить также сложившиеся достаточно сильные позиции на рынке космических солнечных батарей, позволяющие включиться в республиканскую космическую программу и при необходимости выйти на этот сегмент мирового рынка. На этой основе уже в течение более чем 20 лет развиваются фототехнологии. Казахстанские арсенид-галиевые солнечные антенны использовались на советских космических спутниках. Их КПД составлял 24%.

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

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

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

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

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

- светодиодный светильник: SVETECO-96 - 150000 тенге.

- солнечный элемент: ТСМ-180 - 165000 тенге.

- аккумулятор: RA12-100DG - 50000 тенге.

- инвертор -4500 тенге.

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

Пример расчета.

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

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

Удельная мощность для требуемого уровня освещения:

Вт/м².

Общая требуемая мощность ламп Ртр:

Вт.

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

При цене 18 тенге за киловатт час затраты на электропотребления классического фонаря уличного освещения напряжением 220 вольт и потребляемой мощностью 240 ват работающего 12 ч в сутки в месяц затрачивается (0.24Ч12чЧ30дЧ18т 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. Целесообразно продолжить и усиливать приток финансирования в данный вид электроэнергетики за счет привлечения отечественных и зарубежных частных инвестиций. Возможно, использования части мировых инвестиций направленных на электроснабжения транспортного коридора "Западная Европа - Западный Китай". Таким образом, можно частично решить проблемы электроснабжения за слет строительства в вдоль транспортного коридора солнечных электростанций, тем самым подготовить в Казахстане необходимую технологическую и ресурсную базу для полного использования солнечного потенциала страны.

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

3. Усилить доверия населения страны к солнечной 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., Сокотущенко В.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 Зулхарная Алдамжар. 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 Зулхарнай Алдамжар. Бутко В.Н., Украинец М.С. "Состояние и мировые перспективы развития солнечной электроэнергетики" 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.

Размещено на Allbest.ru