Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Проблема водоснабжения сельскохозяйственных районов западной африки и пути её решения 14
1.1. Потребности в воде в сельскохозяйственных районах 14
1.2. Источники поступления воды в сельскохозяйственных районах 16
1.3. Способы получения электроэнергии для подъёма воды 21
1.3.1. Традиционные источники энергии 23
1.3.2. Возобновляемые источники энергии 24
1.3.2.1. Энергия биомассы 27
1.3.2.2. Ветровая энергия 27
1.3.2.3. Солнечная энергия 30
ГЛАВА II. Солнечные фотоэлектрические установки и опыт их применения для водоснабжения сельскохозяйственных районов западной Африки 39
2.1. Основные свойства солнечного излучения и области его применения...39
2.2. Технология работы фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии 42
2.3. Современное состояние использования солнечных фотоэлектрических установок 46
2.4. Опыт применения солнечных фотоэлектрических установок для водоснабжения в сельских районах Западной Африки 50
2.4.1. Опыт Мали 51
2.4.2. Опыт Ганы 53
2.4.3. Опыт Буркина Фасо 54
2.4.4. Опыт Сенегала 54
2.4.5. Опыт региональных программ 56
2.5. Цель и задачи исследования 63
ГЛАВА III. Формирование исходной информации для выбора солнечной фотоэлектрической установки 64
3.1. Методика поступления солнечной радиации 64
3.1.1. Методика расчёта поступления солнечной радиации на горизонтальную, наклонную и следящую поверхности 64
3.1.2. Пример расчёта поступления солнечной радиации по методике 74
3.2. Обоснование структуры водопотребления 81
3.2.1. Расчёт водопотребления 81
3.2.2. Выбор системы водоснабжения 84
3.3. Структурные схемы автономной системы "солнечная
фотоэлектрическая установка - электродвигатель - насос" 86
3.3.1. Исследование и выбор структурной схемы 86
3.3.2. Выбор инвертора и электронасоса для системы водоснабжения... 89
ГЛАВА IV. Энергетические характеристики и взаимосвязь элементов в солнечных водоподъемных установках 95
4.1. Солнечная водоподъёмная система 95
4.2. Математическая модель фотоэлектрического модуля солнечной фотоэлектрической установки 96
4.3. Математическая модель исполнительного электродвигателя 101
4.4. Совместная работа системы "солнечная фотоэлектрическая установка-аккумуляторная батарея - двигатель постоянного тока"... 103
4.5. Анализ характеристик насоса и регулирование режима его работы 107
4.6. Совместная работа системы "солнечная фотоэлектрическая установка - двигатель - насос-аккумулятор" 112
ГЛАВА V. Методика сравнительного анализа и выбора сфэу для водоснабжения сельскохозяйственных районов западной Африки 116
5.1. Анализ конструктивных схем конкурирующих солнечных батарей 116
5.1.1. Солнечная электроустановка без концентраторов 116
5.1.2. Солнечная электроустановка с концентратором 118
5.2. Расчёт площади солнечной батареи разных конструкций 120
5.2.1. Методика расчёта площади солнечной батареи 120
5.2.2. Исходные данные и результаты расчётов 121
5.3. Методика расчёта стоимости СБ разных конструкций 124
5.4. Выбор лучших вариантов солнечных фотоэлектрических установок для водоснабжения сельскохозяйственных районов Западной
Африки 125
Заключение 128
Список литературы
- Источники поступления воды в сельскохозяйственных районах
- Современное состояние использования солнечных фотоэлектрических установок
- Пример расчёта поступления солнечной радиации по методике
- Математическая модель фотоэлектрического модуля солнечной фотоэлектрической установки
Введение к работе
Африка - один из континентов мира, наиболее богатых ресурсами. Ангола, Конго, Габон, Нигерия, Чад, Экваториальная Гвинея - страны Африки, в которых очень много залежей нефти и природного газа. Такие страны Африки как: Либерия, Сьерра Леоне, Гвинея (Конакри), Ботсвана, Намибия, Демократическая республика Конго - имеют большой потенциал алмазов. В Африке также есть страны, в которых имеются большие залежи золота, такие как: Гана, Мали, Гвинея (Конакри). В Африке также очень много источников возобновляемых природных ресурсов, так как территория Африки обладает значительными гидроэнергетическими ресурсами:
река Конго, протекающая через страну Конго и Демократическую Республику Конго;
река Нил, протекающая через Танзанию, Гвинею и Нигерию;
река Нигер, протекающая через Гвинею (Конакри), Мали и Нигерию;
река Сенегал, протекающая через Гвинею, Мали и Сенегал и др.
Огромные лесные ресурсы в странах центральной Африки и на побережье океана. Много отходов от сельского хозяйства и животноводства, которые являются энергетическими ресурсами биомассы.
Кроме всех этих природных ресурсов в африканских странах, в отличие от других стран, имеются очень большие ресурсы солнечной энергии, которые, в среднем, составляют от 5 до 8 кВт-ч/м2/день [80].
Несмотря на всё многообразие этих природных ресурсов в большинстве африканских стран, существуют большие трудности в получении энергии и качественной воды для бытовых и сельскохозяйственных нужд населения. Большую часть года во многих сельскохозяйственных районах африканских стран вода просто отсутствует. Это происходит из-за того, что в этих местах не
5 существует водоснабжения. Одной из причин отсутствия водоснабжения является отсутствие энергии из-за слабой энергетической базы в Африке.
Социальное и экономическое развитие африканских стран базируется на удовлетворении потребности населения в воде, которое с каждым годом увеличивается. Увеличение потребности в воде будет усиливаться и в будущем, так как следует учитывать демографический рост, который в африканских странах является одним из самых высоких в мире. Это значит, что в будущем африканским странам для установления основы экономического развития, необходимо также обязательно решать проблемы водоснабжения населения, особенно в сельских местностях, где эта проблема является очень важной.
Западная Африка - одна из пяти региональных частей Африки. Она расположена между 6 и 26 восточной долготы и -6 и +15 северной широты. Её общее население 228 миллионов человек, из которых, только в Нигерии живёт более 120 миллионов человек [50].
Западная Африка состоит из шестнадцати многонациональных и культурных стран. Три европейских языка являются официальными основными языками. Исходя из этого западные африканские страны, можно разделить на следующие группы:
французский язык - Мали, Мавритания, Сенегал, Гвинея (Конакри), Кот Дивуар, Буркина Фасо, Нигерия, Того, Бенин;
английский язык - Гамбия, Сьерра Леоне, Либерия, Гана, Нигерия;
португальский язык - острова Кабо-Верде и Гвинея (Бисау).
Из всех западноафриканских стран только Мали, Буркина Фаса и Нигерия не имеют выхода к морю.
Экономический рост в Западной Африке и рост валового внутреннего продукта составляет 3,1 % (2000) и 3,5 % (2001) [68].
Доход на душу населения [68]:
Западная Африка: 334$ США на 2000 год и 337$ США на 2001 год;
Северная Африка: 1300$ США;
Южная Африка: 1271 $ США;
в среднем по Африке: 600$ США.
В странах Западной Африки имеются природные ресурсы: нефть, золото, алмазы, боксит, лесные угодья, но, в основном, экономика базируется на сельском хозяйстве и животноводстве, рыболовстве. В сельском хозяйстве, животноводстве и рыболовстве занято более 60% населения [68]. Экономика и культура этих стран многие сотни лет была связана друг с другом, ещё до прибытия европейцев на континент. В западноафриканских странах социальные, культурные и экономические отношения сформировались после получения независимости (в основном в 1960-х годах). Среди общественных организаций в западноафриканских странах для политического и экономического сотрудничества важное место занимают:
CEDEAO - Communaute Economique des Etats de l'Afrique de POuest -Экономическое сотрудничество западно-африканских стран, в которое входят все страны Западной Африки, кроме Мавритании;
OMVS - (Organisation pour la Mise en Valeur du Fleuve Senegal) -Сотрудничество по использованию водных ресурсов реки Сенегал (Сенегал, Мали, Мавритания);
UEMOA - (Union Economique et Monetaire Ouest Africaine) -Экономическое и Финансовое Сотрудничество Западной Африки, в него входят все франко-язычные страны и Гинея Бисао, кроме Гинея (Конакри). Все страны входящие в UEMOA имеют одну денежную единицу - франк CFA;
7 4. CILSS - (Comite Inter Etat de Lutte contre la Secheresse dans le Sahel) -Сотрудничество стран имеющих трудности с окружающей средой, ведущие борьбу с засухой и пустыней, в которые входят Мали, Мавритания, Сенегал, Гинея Биссао, Буркина Фассо, Нигер, Кап Верде.
Эти политические, экономические и экологические организации и объединения стран Западной Африки созданы для того, чтобы улучшить жизнь населения. Во всех их программах одним из приоритетных является решение водоснабжения населения сельскохозяйственных районов Западной Африки.
В первую очередь людям нужна питьевая вода и вода для бытовых нужд. Когда отсутствует чистый источник воды или просто отсутствует водоснабжение, люди вынуждены использовать воду из любого возможного источника воды. Более 70% водопотребления сельскохозяйственных районов происходит из неочищенных источников воды. И более 50% из этих источников не имеют сезонного обеспечения год [69]. В большинстве случаев эти неочищенные источники воды в сельскохозяйственных районах западной Африки являются причинами многочисленных болезней, так как вода содержит различные вредные для людей бактерии и микроорганизмы. В Мали, Буркина Фасо, Нигере и в других западноафриканских странах из-за плохого качества воды люди получили болезни, приводящие к слепоте [69]. В периоде долговременных сухих сезонов в странах западной Африки большинство источников воды высыхают и поэтому работа в сельскохозяйственных районах невозможна. Эта ситуация поставила страны перед проблемами: увеличение смертности и различных заболеваний (особенно среди детей и пожилых людей) и невозможность круглый год заниматься сельским хозяйством. Необходимо срочно искать выход из этой ситуации, которая усугубляет бедность в западноафриканских странах. Но эта проблема осложняется тем, что из-за отсутствия воды в сельскохозяйственых районах создаются условия для массовой миграции людей из деревень в города. Например, население город
8 Бамако (столица Мали) в 1985 году было около 600 000 чел. На сегодняшний день его население составляет больше 1,2 млн. чел., большая часть которого составляет бедное население [68]. Мигрирующее население поселяется вокруг города, где с их приходом также начинают возникать проблемы с водоснабжением.
Одним из возможных путей решения этой проблемы было бы принятие программы улучшения условий жизни в сельскохозяйственной местности, чтобы молодое поколение было уверено в своем будущем и создавало свою жизнь в деревне и, таким образом, участвовало в экономическом развитии страны через сельское хозяйство, животноводство, рыболовство и так далее.
Сегодня более 60% населения стран Западной Африки проживает в сельской местности, и из них менее 5% обеспечены доступом к постоянному водоснабжению [69]. Для улучшения условий жизни в сельской местности в странах Западной Африки необходимы специальные программы, которые решали бы проблемы водоснабжения. Для внедрения в действие таких программ необходима электроэнергия, но только менее 5% сельскохозяйственных районов Западной Африки имеют источники электроэнергии [55].
В конце 1970-х годов на основе анализа ситуации и выполненных исследований было установлено, что централизованная электрификация сельскохозяйственной местности стран Западной Африки для обеспечения энергетических нужд населения и водоснабжения будет очень дорогой и нерентабельной [62]. Страны Западной Африки энергетически слабо развиты, например, в Мали, Буркина Фасо, Нигере, Гвинеи (Бисау) в 1970-х годах имелась установленная электрическая мощность менее 100 МВт в каждой стране, на сегодняшний день - менее 300 МВт в каждой стране [63, 67, 77]. Поэтому для обеспечения энергетических нужд и водоснабжения населения целесообразна децентрализованная система производства электрической энергии.
9 Учитывая эту ситуацию, многие страны начали создавать Национальные Центры и Лаборатории для исследования и развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В 1964 году в Мали была создана Лаборатория солнечной энергетики. В 1978 году был создан с поддержкой Германии и Франции CRES (Centre Regional d'Energie Solaire): Региональный Центр Развития Солнечной Энергии для западноафриканских стран.
Впервые в 1980 году на собрании CEDEAO был принят план Lagos Plan, в котором была отмечена необходимость регионального внедрения и распространения ВИЭ в странах Западной Африки (особенно для водоснабжения населения в сельскохозяйственных районах Западной Африки). 1980-е годы можно считать началом распространения различных видов ВИЭ для водоснабжения и других энергетических нужд в Западной Африке. Среди этих технологии можно считать:
солнечные фотоэлектрические установки для водоснабжения, освещения, телекоммуникаций;
солнечные термоэлектрические установки;
ветровые установки;
технология биогаза для двигателей внутреннего сгорания и для бытовых нужд;
технология использования растительных масел на замену дизельного топлива.
Из всех технологий ВИЭ солнечные фотоэлектрические установки, особенно для энергопитания систем водоснабжения, являются самыми распространёнными во многих странах Западной Африки.
Сегодня технология солнечных фотоэлектрических энергоустановок достаточно развита и надёжна. Стоимость солнечных фотоэлектрических энергоустановок продолжает снижаться, а КПД увеличиваться. Если в 1980-х годах 1 пиковый Ватт стоил около 20$ США с КПД меньше 10% , то сегодня 1 Вт стоит около 3$ США с КПД больше 14%, и срок гарантии составляет
10 больше 20 лет [51]. Мировые исследования в этой области позволили ввести в производство новые солнечные фотоэлектрические энергоустановки со следящими системами, конструкциями с концентраторами и солнечными элементами с высоким КПД (около 30%) [51]. Сейчас выпускаются и предлагаются на рынке солнечные фотоэлектрические установки различных конструкций. Это делает более перспективным применение этих установок для водоснабжения сельскохозяйственной местности западноафриканских стран.
Однако в странах Западной Африки до сих пор предлагаются однотипные дорогостоящие конструкции солнечных фотоэлектрических установок для водоподъёмных систем. Поэтому для внедрения систем водоснабжения в сельскохозяйственной местности на основе солнечных фотоэлектрических энергоустановок необходимо выбирать наиболее лучшие конструктивные решения, которые учитывают условия этих стран. Анализ различных конструкций солнечных фотоэлектрических установок для энергопитания систем водоснабжения в сельскохозяйственных районах Западной Африки, и выбор наилучшего варианта конструкции является весьма актуальной проблемой.
Цель диссертации состояла в разработке методики выбора схем и параметров солнечных фотоэлектрических водоподъёмных систем для сельскохозяйственных районов Западной Африки.
Основные задачи исследования.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
определить графики водопотребления и потребления электроэнергии для конкретных местностей в Западной Африке;
выполнить анализ современного состояния и опыта использования солнечных фотоэлектрических установок в западно-африканских странах для водоснабжения сельскохозяйственных районов;
произвести расчет поступления солнечного излучения на
различные поверхности: неподвижную и следящие по одной и
двум осям, и обосновать выбор лучшей системы слежения;
выбрать схему систем водоснабжения с учетом условий её
применения;
провести анализ энергетических характеристик и выявить основные
взаимосвязи элементов солнечных водоподъемных установок;
разработать методику и провести сравнительную оценку солнечных
фотоэлектрических установок различных конструкций.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Определены районы, в которых целесообразно применять системы солнечного водоподъёма, на основе классификации источников и потенциала подземных вод в республике Мали.
Обоснована целесообразность использования СФЭУ с одноосной системой слежения по результатам расчёта поступления солнечной энергии на произвольно ориентированные поверхности применительно к условиям Мали и другим странам Западной Африки.
Выбрана наиболее рациональная схема системы водоснабжения на базе СФЭУ.
Сформированы принципы и осуществлен выбор элементов системы водоснабжения на основе проведенного анализа имеющихся систем солнечного водоподъёма.
5. Разработана и реализована методика расчёта и выбора лучших
вариантов СФЭУ для водоснабжения сельскохозяйственных районов Западной
Африки.
Практическая ценность.
Разработанные методы и результаты исследований по выбору лучших вариантов схемы систем водоснабжения и конструкций СФЭУ могут быть использованы для решения задач проектирования солнечных
12 фотоэлектрических водоподъёмных установок в соответствии с социально-экономическим состоянием сельскохозяйственных районов Западной Африки.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Результаты анализа возможных путей решения проблемы водоснабжения сельскохозяйственных районов Западной Африки.
Классификация территории Мали с точки зрения глубины залегания подземных вод и общего потенциала водных ресурсов, обоснование выбора целесообразных мест размещения водоподъёмных установок па основе СФЭУ.
Результаты анализа современного состояния использования солнечных фотоэлектрических энергоустановок на основе опыта западноафриканских стран по применению таких установок для водоподъёма.
Обоснование целесообразности выбора СФЭУ с одноосной системой слежения по результатам анализа поступления солнечной энергии на произвольно ориентированные поверхности.
Методика выбора структурной схемы системы водоснабжения для фермерских хозяйств Западной Африки.
Принципы выбора элементов солнечных систем водоснабжения с учетом взаимосвязей между ними при использовании солнечного излучения в качестве первичного источника энергии.
Методика выбора лучших вариантов солнечных фотоэлектрических установок для систем водоснабжения в соответствии с социально-экономическим состоянием сельскохозяйственных районов Западной Африки.
Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на различных европейских и африканских семинарах, конференциях, симпозиумах, а также отраслевых семинарах и конференциях:
13 Renewable Energy Vehicle for Local Development, Folkecenter Denmark 2000, Forum for World Council for Renewable Energy Berlin 2002, North South Initiative on Renewable Energy Cologne 2002, Renewable energy and Global Market Denmark 2003, Forum des Energies Renouvelables au Mali 2003, Semaine de PEnergie du Mali 2003, Energie et Pauvrete Banque Mondiale Dakar Senegal 2003, Renewable Energy and Energy Efficiency Partnership Ghana 2003, Renewable Energy and Energy Efficiency Partnership Ghana 2003.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 147 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 18 таблиц, приложения и список цитируемой литературы из 84 наименований.
Источники поступления воды в сельскохозяйственных районах
Можно использовать различные источники энергии для того, чтобы обеспечить работу водоподъемных установок в сельскохозяйственных районах западноафриканских стран. Для выбора лучшего из них необходимо рассмотреть энергетическую ситуацию западно-африканских стран в целом.
В Африке энергетическое потребление на человека остается одним из самых низких в мире: 0,3 до 0,6 тонны нефтяного эквивалента на человека; в сравнение с Северной Америкой (от 7,5 до 9 тонн нефтяного эквивалента на человека) видна разница в 30 раз [55].
Граждане западноафриканских городов получают электричество от их единой энергосистемы. В большинстве африканских стран присоединение к единой энергосистеме является престижным.
В Мали 30% населения городов присоединены к единой энергосистеме. На национальном уровне это значение составляет ниже 10% [70].
В Гане менее 50% населения имеют доступ к электроэнергии, для сельских районов - менее 20% [72]. Стоимость 1 кВт-ч энергии для данных стран при подключении их к единой энергосистеме страны является высокой. Для Мали, Нигера, Сенегала и Буркина-Фасо стоимость 1 кВт-ч электроэнергии составляет 0,20$ США; в Гамбии и в Кот Дивуаре - 0,15$ США; в Гане и Нигерии стоимость 1 кВт-ч энергии дешевле и составляет 0,03$ США [51, 55, 70, 72, 76].
Кроме Нигерии, ни одна из западноафриканских стран не имеет своих собственных месторождений органического топлива. В этих странах энергетический кризис носит острый и хронический характер. Так, в Мали, конечное потребление энергии составляло в 1992г. 0,21 ТУТ/ на человека в год, что значительно ниже общемировых показателей - 1,2 ТУТ/ на человека в год [68, 70].
Обеспеченность электроэнергией в мире, % [ ] Энергетическая ситуация в западноафриканских стран очень сложная. При этом важно отметить, что обеспечение сельскохозяйственных районов водоподъёмными установками напрямую зависит от доступа к электроэнергии.
В Западной Африке меньше 7% сельского населения имеют электричество. Для Мали, Буркина Фасо, Нигера и Гвинеи это значение меньше 1%. Для Ганы - около 20% [68].
Учитывая низкую плотность населения в сельскохозяйственных местностях и их изолированность, стоимость подключения к единой энергосистеме очень дорога. Например, в Сенегале при подключении данного населения к единой энергосистеме, стоимость 1 кВт-ч электроэнергии составит около 2,5$ США (в 20 раз больше чем в городах, где 1 кВт-ч стоит 0,15$) [76, 77]. В 1993 г в этой стране к единой энергосистеме было подключено 260 деревней (а насчитывается всего 13000 деревни), что составляет около 4% от всей электрификации [76, 77]. Сегодня электрификация сельскохозяйственной местности Сенегала составляет около 8% [76].
Учитывая трудную экономическую ситуацию западноафриканских стран, эти факты не позволяют начать большую программу электрификации в сельскохозяйственных районах на основе традиционных источников энергии. К тому же, в настоящее время, не существует полного государственного контроля, политики управления и обеспечения населения электрической энергией из-за многочисленных приватизированных энергетических компаний. Поэтому для подключения сельскохозяйственных местностей в Западной Африке к единой энергосистеме в первую очередь всегда будут учитываться критерии рентабельности.
Решение проблемы электрификации сельскохозяйственных районов западноафриканских странах наталкивается на существенные барьеры [50]: - на 1 км2 приходиться 7 жителей; - деревни очень изолированы и отдаленны друг от друга; - отсутствие промышленных отраслей в сельском районе также создаёт ограничение на потребление электрической энергии для освещения и пользования информационными услугами (телевидение, радио).
При отсутствии электроэнергии для подъёма 70-110 м3 воды дизельным насосом потребуется не менее 20-50 литров топлива [62, 63]. Так как нефтяные продукты отсутствуют в сельских местах, для их получения требуются еще дополнительные затраты на транспортировку к месту потребления, и один литр дизельного топлива стоит 0,5-0,6$ США [51]. Таким образом, применение дизельных насосов часто бывает невыгодно с экономической точки зрения.
Все эти причины делают применение традиционных источников энергии для водоподъёмных установок в сельскохозяйственных районах западноафриканских стран нецелесообразным.
Учитывая огромный потенциал ресурсов возобновляемых источников энергии в западноафриканских странах, их использование в сельских районах для получения электроэнергии становиться целесообразным.
Современное состояние использования солнечных фотоэлектрических установок
Солнечные фотоэлектрические преобразователи однажды были редкой и экзотической технологией, которая использовалась для космоса и очень удалённых мест. На сегодняшний день данная технология становится очень важной для производства и распространения энергии и для сохранения окружающей среды. С 1990 по 2000 годы промышленное производство солнечных преобразователей увеличилось на 20%. С 1997 года, в среднем, рост производства каждый год составляет 30% и такой рост будет продолжаться ещё ближайших 20 лет. К 2000 году установленная мировая мощность солнечных преобразователей превысила 1000 МВт и в большинстве развивающихся стран более 0,5 миллионов домов получают электричество для освещения и других нужд от этих солнечных установок [51, 54, 55].
В 2001 г. величина мирового производства энергии солнечными фотоэлектрическими преобразователями достигла 340 МВт (рис. 2.1). В конце 2002 г. эти величина достигла 500 МВт. Сегодня, на промышленном рынке объём производства солнечных фотоэлектрических преобразователей составляет 2 млрд.$ США и к 2010 году эта сумма увеличиться до 10 млрд.$ США. Основными промышленными компаниями по производству солнечных фотоэлектрических преобразователей являются: ВР Amoco, Shell, Kyocera, Mitsubushi, Sanyo, Sharp (рис. 2.2) [51, 55, 82]. на 2003 год (суммарная мощность 900 МВт/год)
В мировом производстве электрической энергии солнечные фотоэлектрические преобразователи занимают ещё малую долю, но эта ситуация будет меняться в ближайшем будущем (рис. 2.3) [51].
Не так давно большинство людей полагало, что будущее для внедрения солнечных фотоэлектрических технологий будет состоять из двух основных направлений:
1. Создание больших станций, с мощностью от 1 МВт до нескольких МВт, с подключением к крупным энергетическим системам в развитых странах.
2. Установление 10 миллионов солнечных фотоэлектрических установок в развивающихся странах.
Сегодняшняя картина не такова, в развитых стран установление солнечных фотоэлектрических установок в домах и подключение их в сеть
Данная ситуация бурного развития технологий солнечных фотоэлектрических установок приводит к снижению их стоимости и к их широкому применению в Африке для обеспечения электроэнергетических нужд сельскохозяйственной местности.
Сегодня проблема водоснабжения в сельскохозяйственных районах Западной Африке может быть успешно решена с помощью использования солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), как источника энергии для водоподъёмных систем. В настоящее время выпускается множество различных вариантов солнечных фотоэлектрических энергоустановок для таких систем как: неподвижных, с одноосным слежением, с двухосным слежением, на основе кремния и арсенида галлия, с концентратором и без концентратора, и так далее. Поэтому возникает проблема выбора параметров и типа солнечных фотоэлектрических энергоустановок для водоподъёмных систем в сельскохозяйственных районах Западной Африки.
Для этого нужно рассматривать опыт внедрения таких установок в западноафриканских странах.
Как уже было рассмотрено в параграфе 1.3.1 в качестве источника для энергопитания водоподъёмных систем в сельскохозяйственных районах Западной Африки использование традиционных источников энергии не является целесообразным. Более целесообразно применение возобновляемых источников энергии, а именно - солнечной энергии (параграф 1.3.2).
При первой большой засухе в 1974 году в большинстве западноафриканских стран (особенно в странах CILSS) было почти уничтожено животноводство, и много тысяч людей погибло из-за отсутствия воды [69]. Тогда стало ясно, что проблему водоснабжения необходимо срочно решать, особенно в сельскохозяйственных районах, где живёт большая часть населения, и экономика стран в целом зависит от деятельности этих районов.
Основной опыт внедрения водоподъёмных систем на основе солнечных фотоэлектрических установок в странах Западной Африки был получен в рамках проектов, которые финансировали развитые западные страны. В этих проектах часто использовались СФЭУ для удовлетворения различных электрических нужд населения (освещение, охлаждении для вакцин и так далее) в сельскохозяйственных районах. Опыт применения СФЭУ для водоснабжения сельскохозяйственных районов Западной Африки можно разделить на две группы: - опыт отдельных стран в рамках национального проекта; - опыт в рамках регионального проекта, который происходил в нескольких странах одновременно.
Мали — одна из самых первых стран в Западной Африке, где были внедрены и распространены технологии возобновляемых источников энергии и особенно технология применение солнечной энергии для водоподъёма.
Сразу же после обретения независимости государства, зная потенциал солнечных ресурсов страны и роль данных ресурсов в удовлетворении энергетических нужд населения, государством в 1964 году была создана Солнечная Лаборатория Энергии (LESO), которая впоследствии была увеличена и в 1990 году преобразована в Национальный Центр Солнечной Энергии и Возобновляемой Энергии (CNESOLER) [70].
Пример расчёта поступления солнечной радиации по методике
Суточная мощность солнечного излучения на горизонтальную поверхность определяется по формуле: м.з Wcym.e = \Elp Ж Wcym.cp=Wcym.e На 15"е ЧИСЛ (3.16) JM в 11. Месячная плотность солнечной энергии на горизонтальную поверхность: "мес. где Wcymxp - средняя (в течение месяца) суточная мощность солнечного излучения. Следует учитывать, что данные величины получены для идеальных условий (безоблачного неба). Для перехода к реальным величинам плотности потока и мощности солнечной радиации на горизонтальную поверхность необходимо воспользоваться данными [61], где даны реальные величины WMeczp,полученные в результате натурных наблюдений. Тогда получаем коэффициент перехода к реальным величинам: К Кес (318) W " мес.г 12. Для наклонной поверхности (поставленной под некоторым углом /3) изменения рассеянной составляющей в зависимости от наклона учитываются не точно, а берутся её значениями для горизонтальной поверхности и умножаются на некий коэффициент К%ас, величина которого линейно уменьшается в зависимости от наклона: от 1 для горизонтальной поверхности до 0,5 для вертикальной (при вертикальной поверхности можно наблюдать лишь половину неба). 13. Значение коэффициента К%ас в зависимости от угла наклона следящей поверхности /? определяются из следующей табличной зависимости [10]: Д град. 0 19 40 60 78 90 рас 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Промежуточные значения определяются интерполяцией. 14. Плотность потока рассеянной составляющей солнечной радиации, приходящей на следящую поверхность, определяется по формуле: ЕГ=Ерас.КРас(Юг (319) 15. Суммарная плотность потока солнечной радиации приходящей на следящую поверхность определяется по формуле: El=ElP+E![ac (3.20) 16. Плотность потока солнечной радиации поступающей на следящую поверхность для реальных величин: Е1р=Е -Кт ,z -v (3.21) 17. Реальная суточная плотность энергии на следящую поверхность: W, Ip dt с±р - \Е. (3.22) 18. Реальная месячная плотность солнечной энергии приходящей на следящую поверхность: WMlp=WcLp , (3.23)
Пример расчёта поступления солнечной радиации по методике Исходные данные для расчета поступления солнечной радиации на горизонтальную и следящую поверхность (на примере Мали) [61]: - широта 3=15 с.ш., - долгота X - 9 з.д. - средний меридиан для местного часового пояса Лср = 0
Предполагается, что неподвижная солнечная фотоэлектрическая установка будет устанавливаться под углом, соответствующим широте местности (15), так как в этом случае количество солнечной энергии, поступающей на такую поверхность в течение года, будет максимальным.
Расчёты проводились для 15-го числа каждого месяца, чтобы можно было рассматривать полученные суточные данные как среднемесячные.
В качестве примера в табл. 3.1-3.3 представлены результаты расчетов, характеризующие поступление солнечной радиации на горизонтальную, наклонную и следящую поверхности 15-го апреля.
На рис. 3.5 представлен график изменения расчётной и реальной плотности солнечного излучения в течение дня.
Кривые, изображенные на рис. 3.6, показывают как влияет слежение за Солнцем на реальную плотность солнечного излучения, поступающего на соответствующую поверхность.
Из данных, представленных в табл. 3.1-3.3 и на рис. 3.6 следует, что слежением за Солнцем позволяет существенно ( 30%) увеличить поступление излучения на поверхность. В то же время поступления солнечной радиации при использовании одноосной и двухосной систем слежения отличается мало, что обусловлено вероятно малой широтой местности рассматриваемого района Мали (15 с.ш.). Аналогичные расчёты были выполнены для 15 июля и 15 декабря. Их результаты представлены в приложении.
Математическая модель фотоэлектрического модуля солнечной фотоэлектрической установки
Простейшим случаем конструктивного исполнения фотоэлектрической установки является плоская СБ. С энергетической точки зрения применение СБ без концентраторов представляет наиболее эффективным. Действительно, солнечная батарея площадью SCE С КПД Т]СБ при минимальной плотности потока прямой солнечной радиации Етіп в заданной местности обеспечит мощность: Р = Emin ScE Псэ (5-І) 117 Используя концентратор равной площади SK для освещения солнечной батареи, при сохранении того же значения TJCE, получим мощность: " kmin &К Т]К 7]сэ , (5.2) где tjK - коэффициент полезного действия концентратора
Поскольку Таким образом, вследствие потерь на неполноту пропускания (отражения) генерируемая мощность, приходящаяся на единицу облучаемой поверхности установку, снижается.
В то же время применение концентраторов является выгодным экономически, поскольку стоимость единицы поверхности зеркальных концентраторов примерно на два-три порядка ниже стоимости фотопреобразователей. Однако в настоящее время использование концентраторов в ряде случаев может оказаться затруднительным по эксплуатационным и другим соображениям в условиях Западной Африки, поэтому следует рассматреть вначале случаи применения СБ без концентраторов с точки зрения оптимизации их расположения.
Для неподвижной солнечной батареи возможно различное расположение: горизонтальное или с некоторым наклоном. Оптимальное расположение приемника излучения зависит от времени использования в течение года (круглогодичное или сезонное). Оптимизация происходить по максимуму поступающей в течение дня лучистой энергии. Возможно также вращение СБ относительно одной оси координат, например, изменение угла наклона в течение года в соответствии с его оптимальными значениями. СБ без концентратора может иметь систему слежения по одной и по двум осям. При этом по сравнению с неподвижной солнечной батарей количество падающей радиации особенно при Emin, а, следовательно, и выработка энергии увеличиваются. Солнечная электроустановка с концентратором
Концентратор солнечного излучения, применяемый для освещения СФЭУ, является существенным элементом конструкции солнечной электроустановки [4]. Поэтому анализ различных концентрирующих систем необходим при рассмотрении конструктивных схем таких установок.
Однако вначале необходимо сформулировать требования, предъявляемые к концентрирующим системам для СФЭУ помимо таких общих для всех гелиотехнических концентраторов условий как высокое значение и стабильность во времени коэффициентов пропускания или зеркального отражения, обеспечение заданного уровня концентрации лучистой энергии, простота изготовления и низкая стоимость. Концентраторы, применяемые для СБ, должны также обеспечивать равномерность освещенности поверхности приемника (от Етіп до EmaJ, а угол падения отраженных лучей не должен превышать предельного (ограничение по апертуре). Условия по ограничению апертуры концентратора определяется экспериментально путем измерения электрических характеристик опытных солнечной батареи при различных углах падения солнечного излучения.
Концентраторы солнечного излучения могут быть разделены по ряду признаков: по форме концентратора (плоский, конический, параболический и т.п.); - по виду конструкции (цельный, составной, фацетный и т.п.); - по уровню концентрации солнечного излучения; - по характеру облучения приемника (облучение прямым и отраженным излучением, или только отраженным); - по материалу концентратора (стеклянные, металлические, полимерные и т.п.), и по ряду других признаков.
При использовании концентратора необходимо иметь систему автоматизированию слежении за Солнцем. Эта система должно обеспечивать автоматическое направление СФЭУ на Солнце в течение всего светового дня, поиск Солнца после перерыва в облучении, вызванного облачностью; выключение всей системы при наступлении сумерек; возвращение панелей из вечернего (западного) в утреннее (восточное) положение; ограничение угла поворота панелей и так далее.
