Авторы:

Жакупханов Ержан Ерболович,г. Астана, Казахстан, Казахский Агротехнический Университет им С. Сейфуллина.

Амургалинов Алибек Саматович,г. Астана, Казахстан, Казахский Агротехнический Университет им С. Сейфуллина.

Солнечная энергетика в Казахстане

Развитие отрасли альтернативной энергетики позволит повысить качественный уровень окружающей среды, путем снижения выбросов вредных веществ в атмосферу, а также повысить уровень жизни населения за счет более широкой электрификации территории. Решение экологических последствий воздействия ВИЭ на окружающую среду, возможно, решить путем создания новых технологий и научных разработок.

Во всем мире экономия электроэнергии считается важнейшим вкладом в экологию и охрану окружающей среды.

Наиболее перспективными направлениями развития альтернативной энергетики на территории Казахстана являются: гидроэнергетика, ветроэнергетика и солнечная энергетика. Солнечная энергия может широко использоваться для горячего водоснабжения и в ряде случаев для автономного электроснабжения. Согласно планам правительства Республики Казахстан предлагается установить уровень альтернативных источников энергии в 5 % от общего энергопотребления Казахстана к 2024 году, что создаст благоприятные перспективы решения энергетических, социальных и экологических проблем в будущем.

Продолжительность солнечного сияния составляет 2200 - 3000 часов в год, а энергия солнечного излучения – 1200 кВт/м² в год. Это позволяет использовать солнечные батареи – коллекторы для нагрева воды и солнечные модули, в частности портативные фотоэлектрические системы.

Значительная часть территории Казахстана имеет благоприятные климатические условия для использования солнечной энергии. В южных районах продолжительность солнечного излучения составляет от 2000 до 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность - от 1280 до 1870 кВт/ч на 1 м². В наиболее солнечном месяце - июле - количество энергии, приходящейся на 1 м². горизонтальной поверхности составляет в среднем от 6,4 до 7,5 кВт/ч в день. Следовательно, широкое использование солнечной энергии может иметь здесь важное хозяйственное значение.

Ежегодно Земля получает от Солнца порядка 1,6х10¹⁸ кВт/ч энергии, это в 10 тыс. раз больше, чем современный уровень энергопотребления. Причем вклад солнца в энергетический баланс Земли превышает в 5 тыс. раз суммарный вклад всех других источников энергии, другими словами, потенциал солнечной энергии для земли составляет 123х10¹² т условного топлива в год. Вместе с тем, используемые на Земле все виды энергии, в конечном счете, трансформируются в тепловую, а это может привести к необратимым изменениям при производстве энергии равной 5 % от поступающей солнечной радиации.

В этой связи в настоящее время имеет место устойчивая тенденция использования солнечного излучения, как для получения тепла, так и для производства электрической энергии. В разных странах успешно эксплуатируются десятки тысяч фотоэнергетических установок мощностью до 1 кВт, солнечные заправочные стации для электромобилей, проектируются солнечные электростанции мощностью до 100 кВт. Гелиоустановки успешно используют для электроснабжения небольшие отдаленные центры. Национальные программы по развитию гелиоэнергетики и гелиотехники приняты более чем в 70 странах. Основным сдерживающим фактором является низкий коэффициент полезного действия (КПД) и высокая стоимость фотоэлектрических приборов (ФЭП) при существенных преимуществах солнечных генераторов по сравнению с другими источниками энергии. Вместе с тем на протяжении последнего полувека наблюдается снижение стоимости ФЭП на 50 % каждые 5 лет, а увеличение КПД с 4-6 % до 28,2 %. Так, стоимость первых ФЭП превышала 1 тыс. долларов за 1 Вт, а в настоящее время получена стоимость менее 5 долларов за 1 Вт. Конвейерная технология производства ФЭП (США) из поликристаллического кремния на керамической подложке при КПД 15 % позволит получить стоимость 2 доллара за 1 Вт, а получение ФЭП из аморфного кремния (Япония, КПД 6 – 10 %) позволяет снизить их стоимость до 1 доллара за 1 Вт. Преобразователи, использующие оптические элементы (линзы, сферические зеркала, решетки Френеля) имеют КПД более 20 %. /8/

Крупным недостатком существующих преобразователей солнечной энергии в электрическую является не способность переработки тепловых излучений, что снижает коэффициент полезного действия, ухудшает условия их работы, уменьшает срок службы и, в конечном счете, препятствует развитию гелиоэнергетики.

Для отвода теплового излучения от фотоэлектрических преобразователей используются тепловые фильтры, что вызывает дополнительные потери энергии и удорожание, а также увеличивает габариты и вес. Однако полученные КПД и стоимость ФЭП уже сегодня позволили создать солнцемобили, солнечные яхты и даже солнцелёты.

Перевод солнечной радиации в электрическую энергию связан, как отмечалось выше, с неизбежными значительными потерями, которые обусловлены несовершенством самих концентраторов, а также не способностью их дифференцировать излучение по длинам волн, т.е. диспергировать, поскольку это важно для работы полупроводниковых преобразователей солнечного излучения, могущих эффективно работать только при определенной длине волны света.

Использование большего количества солнечной энергии имеет большое значение для индивидуального или группового обеспечения электрической энергией как промышленных и гражданских объектов, так и транспорта (железнодорожного, автомобильного и водного).

Солнечные энергетические установки имеют следующие преимущества:

- экологически чистое производство электроэнергии, полное отсутствие выбросов парниковых газов;

- универсальность применения;

- простота конструкции и малый вес;

- бесшумность при работе;

- модульный принцип набора мощности;

- высокая надежность.

Реализация разработок отечественных ученых позволит на первой стадии обеспечить бытовые нужды в тепловой и электрической энергии практически все сельское население и определенное количество городского населения. Это означает снижение выбросов парниковых газов и затрат на содержание жилища, автономность энергоснабжения. Следовательно, проблем с продажей продукции не возникнет, возврат денег можно считать гарантированным, поскольку стоимость энергии в этом случае ниже рыночных.

Кроме того, использование солнечной энергии возможно и в других отраслях промышленности Казахстана. Например, использование солнечных генераторов в железнодорожном транспорте можно реализовать в двух вариантах. Это создание солнечных стационарных электростанций и солнечных электричек. Солнечные электростанции могут быть использованы как традиционные источники энергии для электровозов, так и в качестве заправочных станций для электропоездов, аналогичных электромобилям. Стоимость энергии производимой солнечными батареями значительно ниже рыночной.

Потенциал производства энергии из ВИЭ в Казахстане можно разделить на два сектора: первый сектор включает в себя производство энергии из ВИЭ ориентированное на экспорт, а второй сектор – производство энергии из ВИЭ только для внутренних нужд.

Солнечные батареи с использованием солнечных голографических концентраторов отечественного производства существенно могут потеснить, а в перспективе вытеснить другие виды солнечных батарей в силу прорывных конкурентных преимуществ. При этом экспорт возможен в двух вариантах:

- продажа собственно солнечных батарей и продажа солнечных голографических концентраторов или их матриц для производителей солнечных батарей.

- продажа фотоэлементов, получаемых по технологиям, разработанных отечественными учеными.

Гелиоустановки в силу низкой себестоимости могут также выйти на мировой рынок. Все установки, которые в силу своих конкурентных преимуществ, имеют перспективы выхода на мировой рынок, могут успешно применяться и для внутренних нужд.

В таблице 1 показаны данные по солнечной освещенности Казахстана.

Таблица 1 - Солнечная освещенность по регионам Казахстана

Регион	кВт/м^2/год	кВт/м^2/день
		среднее	июнь	декабрь
Шымкент	1780	4,88	7,95	1,65
Актау	1442	3,95	6,71	0,98
Астана	1297	3,55	6,47	0,83
Семей	1441	3,95	6,74	1,2
Талды-Курган	1703	4,67	7,40	1,58

Тепловая солнечная энергия - наиболее простой в использовании и перспективный с точки зрения практического применения. В связи с ростом цен на первичные энергоносители, с одной стороны, развитием технологии использования тепловой энергии солнца, с другой стороны, этот источник энергии становится конкурентоспособным, т.е. может применяться на равных условиях с традиционными энергоносителями.

Основной целью экспериментальных исследований является выявление изменений плотности потока солнечного излучения в течении светового дня для четырех месяцев года.

По данным актинометрических справочников трудно судить о солнечной радиации в течение суток, в виду того, что измерения составляющих радиационного баланса производятся только 6 раз в сутки, поэтому были проведены экспериментальные исследования сезонного и суточного поступления составляющих солнечной радиации на 52,1^о с.ш.

Экспериментальные исследования были проведены в лаборатории «Нетрадиционных источников энергии» Евразийского инновационного университета.

Измерение радиационного баланса были проведены с использованием стандартных пиранометров. Один пиранометр находится на панели солнечной батареи, измеряет суммарную плотность солнечного излучения на наклонную поверхность. Данные суммарной солнечной радиации фиксируются на заведенном в схему компьютере. Второй пиранометр находится на мачте метеостанции и замеряет плотность солнечного излучения на горизонтальную поверхность.

Исследование сезонного поступления суммарной солнечной радиации для 2010 года зафиксированы с интервалом 1 ч , для получения данных в течении суток.

Представлены экспериментальные графики зависимости изменения энергетической освещенности на горизонтальную поверхность для января, апреля, июля и октября месяца 2009 года. Построены кривые для 05, 15 и 25 числа месяца, для сравнения на графики нанесена кривая значения плотности солнечной радиации на горизонтальную поверхность, которая строится по многолетним актинометрическим наблюдениям из климатических справочников.

Проанализируем интенсивность энергетической освещенности полученные экспериментальным путем. На рисунках 1-2 показан внешний вид программного обеспечения, которое фиксирует данные измерений.

Максимальная суммарная плотность солнечного излучения в январе 269 Вт/м² (рисунок 3). Провалы графиков не наблюдаются. Экспериментальные данные плотности солнечного излучения превышают данные актинометрических наблюдений для 05.01.09 г. на 30 %, 15.01.09 г. на 40 %, 25.01.09 г. на 50 % .

Рисунок 1 - Данные измерений

Рисунок 2 - Данные измерений

Рисунок 3 - Изменение значений плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность для января 2009 г

Рисунок 4 - Изменение значений плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность для апреля 2009 г

Рисунок 5 - Изменение значений плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность для июля 2009 г

Рисунок 6 - Изменение значений плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность для октября 2009 г

Максимальная суммарная плотность солнечного излучения в апреле 710 Вт/м2 (рисунок 4). Наблюдаются провалы графика с 12 до 13 часов из-за облачности до 200 Вт/м2. В момент провалов графиков прямая составляющая солнечной радиации значительно уменьшается 05.04.09 г. на 60 %, для 15.04.09 г. на 40 %, для 25.04.09 г. на 50 %. В период с 6 до 8 часов экспериментальные данные прямой солнечной радиации по отношению к данным актинометрических наблюдений занижены на 50 %. Однако надо отметить, что с 9 до 12 часов дня плотность солнечного излучения увеличивается на 30%. 25.04.09г. плотность солнечного излучения после 12 ч дня подает на 50%, а 5 и 15 июля увеличивается на 40 %. Это соответствует отсутствию прямой составляющей солнечной радиации, что приводит к значительному снижению производительности солнечных установок.

Максимальное значение плотности солнечного излучения в июле 820 Вт/м2 (рисунок 5). Во все дни наблюдений в период с 5 до 12 часов плотность солнечного излучения уменьшается на 40-60 %, а 15.07.09 г. уменьшение продолжается до 17 ч. В остальные дни после 12 ч плотность солнечного излучения превышает от 10 до 30 % по отношению к актинометрическим данным.

Для октября месяца (рисунок 6) максимальное значение энергетической освещенности составляет 511 Вт/м2. 05.10.09 г. наблюдается провал графика в 10 часов, но не ниже значения актинометрических наблюдений. С 11 до 18 часов график превышает на 100 %. 15.10.09 г. превышает на 70 %. 25.10.09 г. график занижен на 50 % и только в 14.30 часов заметем подъем графика до значений актинометрических наблюдений.

Согласно полученных данных можно заключить :

- в качестве исходных данных при выполнении гелиоэнергетических расчетов необходимо использовать актинометрические данные при средних условиях облачности, которые приводятся в метеорологических ежемесячниках;

- различие в поступающей солнечной радиацией на горизонтальную поверхность при условиях облачности между Северным и Южным регионами достигает 20%;

- происходит сезонное изменение состава солнечной радиации (в осенне-зимний период составляющая равна примерно рассеянной и в весенне-летний период прямая радиация составляет до 65% суммарной);

- разница между солнечной радиацией при различных условиях облачности увеличивается в соответствии с широтой с 13 до 28%.

- экспериментальные графики дают более точную информацию о суммарной солнечной радиации в течение суток;

- сезонные графики, даже с учетом провалов графиков во время облачности, показывают превышение относительно значений актинометрических наблюдений от 10 до 100%.