Использование солнечных фотоэлектрических установок для питания автономных насосных станций в Марокко

Энергия — источник жизненной силы современных государств, основа высокого уровня жизни, развитой экономики и национальной безопасности.

Энергетические проблемы — одни из важнейших мировых проблем современности, они затрагивают самым непосредственным образом развивающиеся страны Африки, Азии и Латинской Америки. Недостаточность производства электроэнергии, ее дороговизна сдерживают не только создание промышленности и перерабатывающих отраслей в сельском хозяйстве этих стран, но и социальное развитие. В последнее время проблемы энергетики стали привлекать внимание не только специалистов, но и представителен других областей науки и техники. Проблемы обеспечения энергией связаны с ростом удельного энергопотребления на душу населения, ограниченными запасами наиболее качественного и удобного органического топлива — нефти и природного газа, неравномерностью его территориального распределения, ухудшением природно географических условий их добычи, глубокой диспропорцией в мировой системе добычи, распределения и потребления энергии. Анализ ситуации в энергетике приводит к очевидному выводу, что без значительного изменения всей структуры топливно-энергетического комплекса, без включения в баланс новых первичных источников энергии и тем самым соответствующего перераспределения традиционных источников энергии невозможно решить глобальные энергетические проблемы начала XXI века.

Исключительно важны проблемы воздействия топливноэнергетического комплекса на окружающую среду. По мере увеличения производства энергии в мире острота экологических проблем будет возрастать. Это заставляет уже сейчас думать о целесообразности широкого использования экологически чистых возобновляемых источников энергии.

Марокко, подобно другим странам, должно обращать свой взгляд на технологии «следующего поколения», чтобы удовлетворять растущий спрос на чистую, обильную, надежную и дешевую энергию для всех людей. Повышение эффективности использования собственных источников энергии является важной задачей. Однако в долгосрочной перспективе, в конечном счете, требуется найти вариант, не зависящий от нефти.

Марокко вступила в новый этап развития, на котором требуется использование всех первичных источников энергии и диверсификация применения существующих технологий, необходимых для социально-экономического развития. Освоение экологически чистых возобновляемых источников энергии, среди которых энергия солнечного излучения занимает лидирующее положение, является стратегической проблемой, определяющей перспективы устойчивого мирового развития в условиях постепенного истощения запасов ископаемого органического топлива и возникающих угроз все большего антропогенного загрязнения окружающей 'среды.

Солнечное излучение с энергетической и термодинамической точки зрения является высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии (электрическую энергию, тепло и др.) с высоким коэффициентом полезного действия. Солнечная энергия повсеместно доступна. Среднегодовая плотность энергетического потока на поверхность земли (с учетом суточных, сезонных, климатических и географических факторов) для территории Марокко составляет почти 250 Вт/м .

Одна из основных задач, проводимых во многих странах мира исследований, состоит в научном обосновании, разработке и создании новых технологий и оборудования для использования солнечной энергии, которые могли бы быть полезны для экономически эффективного применения в различных сферах народного хозяйства с учетом специфики регионов и конкретных потребителей.

В Марокко, в связи с отсутствии собственных запасов нефти и газа, с повышением потребления электроэнергии и стремлением к технологической независимости пытаются овладеть альтернативными источниками энергиив стране все больше уделяется внимание развитию и внедрению возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В начале века доля ВИЭ в общем топливно-энергетическом балансе страны была незначительна. Период индустриализации привел к полной централизации хозяйственной жизни, в том числе и энергоснабжения, вытеснив все ВИЭ, доля которых сегодня составляет не более 1%. Однако новая энергетическая политика, ориентированная на диверсификацию собственности, дает новый шанс более широкому развитию малой энергетики, в т. ч. ВИЭ. В энергетической программе указывается, что их использование — это вопрос будущего. В Марокко необходимость развития ВИЭ нашла отражение в законе «Об энергосбережении и энергетической стратегии Марокко».

Климатические условия Марокко, расположенной в субтропическом поясе, благоприятствуют развитию солнечной энергетикиздесь более 300 дней в году — солнечные.

Обилие солнечной энергии в Марокко, острота проблемы водоснабжения, постоянное повышение тарифов на электроэнергию и цен на топливо делают проблему создания эффективных и рентабельных солнечных водоподъемных установок для автономных потребителей весьма актуальной, тем более, что в стране созданы предпосылки для децентрализации водоснабжения. Эти установки должны быть надежными, простыми в эксплуатации, эффективными и иметь большой срок службы.

Актуальность темы

диссертационной работы определяется особенностями развития энергетики Марокко и необходимостью разработки систем водоснабжения для удаленных от электроэнергетических систем потребителей малой мощности, что обеспечит высокую социальную эффективность и минимальное воздействие на окружающую среду.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методики выбора параметров и режима работы солйечной фотоэлектрической водоподъемной системы (СВС), для индивидуальных автономных потребителей, рассчитанной на различный уровень водопотребления.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Оценить теоретический потенциал возобновляемых источников энергии в Марокко для использования в электроэнергетике.

2. Выполнить аналитический обзор современного технического уровня и производства солнечных фотоэлектрических установок.

3. Определить графики водопотреблбния и потребления электроэнергии для конкретной местности и типов потребителей в Марокко.

4. Выполнить анализ работы системы водоснабжения для четырех характерных вариантов компоновки СВС.

5. Исследовать характеристики и взаимосвязи элементов в системе водоснабжения потребителя.

6. Выбрать наиболее эффективный вариант, который может обеспечить оптимальную работу всей системы автономного водоснабжения.

7. Выполнить системный анализ алгоритма определения параметров СВС, включающего выбор параметров оборудования.

Научная новизна работы заключается в:

1. Обосновании актуальности интенсивного использования солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) в энергетике Марокко с учетом особенностей экономики энергетической отрасли и социально-экологического состояния страны.

2. Определении географических регионов Марокко, в которых целесообразно применять солнечные водоподъёмные установки, на основе источников подземных вод.

3. Разработке методики построения карт распределения и поступления солнечной энергии по территории Марокко и определении валового и технического энергопотенциала солнечной энергии.

4. Исследовании погрешности расчета суммарной солнечной радиации на различно ориентированные площадки по широте и по долготе различными методами.

5. Выборе оптимального способа водоснабжения изолированных потребителей в отдаленных регионах Марокко.

Практическая значимость работы.

Результаты выполненного исследования предназначены для применения при проектировании и эксплуатации систем автономного водоснабжения потребителей малой мощности в условиях Марокко. Использование рекомендаций автора на стадии проектирования позволяет повысить конкуренто способность и экономическую эффективность систем водоснабжения на основе солнечной энергии, для улучшения экологической и социальной обстановки в районах с острой нехваткой воды.

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследования по теме диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах, на заседаниях кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» МЭИ (ТУ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано четыре печатных работы.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н, профессору В. И. Виссарионову за постоянную помощь, внимание и доброжелательную поддержку в работеа также коллективу кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» Московского энергетического института (технического университета) за ценные замечания и советы при обсуждении диссертации.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ АББРЕВИАТУРЫ.

АБ — аккумуляторная батарея.

АД — асинхронный двигатель.

AM — «воздушная масса» атмосферы.

АЭС — атомная электростанция.

БК — блок контроля >

ВАХ — вольтамперная характеристика.

ВИЭ — возобновляемые источники энергии.

ВЭС — ветровая электростанция.

ГеоТЭС — — геотермальная электростанция.

ГЭС — гидроэлектростанция.

ДПТ — двигатель постоянного тока.

ДУВ — датчик уровня воды.

ИНВ — инвертор кпд — коэффициент полезного действия.

Н — насос.

НС — насосная станция.

НУСБ — насосная установка с солнечными батареями.

НЭК — Национальная электрическая компания Марокко (ONE).

ПЭС — приливная электростанция.

САУ — система автоматического управления.

СБ — солнечная батарея.

СВС — система водоснабжения.

СВУ — солнечная водоподъемная установка.

СМ — солнечный модуль.

CP — солнечная радиация.

СФЭУ —солнечная фотоэлектрическая установка.

СЭ — солнечный элемент.

СЭС — солнечная электростанция.

ТБО — твердые бытовые отходы.

ТПЧ — тиристорный преобразователь частоты.

ТЭС — тепловая электростанция.

ФЭУ — фотоэлектрическая установка.

ЭДС — электродвижущая сила.

ЭС — электростанция.

основные выводы:

1. На основе анализа современного состояния и развития энергетической системы Марокко обоснована актуальность и перспективность использования ВИЭ. ~.

2. Обоснована эффективность использования ВИЭ для децентрализованного энергоснабжения потребителей малой мощности. Установлено, что приоритетное значение имеет использование солнечной энергии и преобразование ее в электрическуюрешение проблемы водоснабжения в автономных районах может быть обеспечено при использовании солнечных водоподъёмных установок.

3. Разработана методика построения карт распределения и поступления солнечной энергии по территории Марокко с использованием доступной базы данных НАСА.

4. На основании сравнительного анализа различных методов расчета суммарной СР на различно ориентированные площадки выбрана оптимальная методика.

5.Показано, что слежение за Солнцем позволяет существенно увеличить поступление солнечного излучения на поверхностьобоснована целесообразность использования СФЭУ с одноосной системой слежения в условиях Марокко. У.

6. В результате исследования энергетических характеристик и взаимосвязи элементов СВУ выбрана структурная схема солнечной водоподъемной установки с АБ, в которой применяется инвертор.

7. Разработана методика и произведен расчет площади СФЭУ различных типов СБ, в результате которого устаковлено, что:

— площадь неориентируемых СБ значительно превышает площадь СБ, имеющих системы слежения, а, следовательно, применение последних во многих случаях может оказаться более целесообразным, если стоимость и надежность систем слежения будут приемлемыми;

— в рассматриваемых водоподъемных установках целесообразно использовать СФЭУ без концентратора, имеющие одноосную систему слежения за Солнцем.

8. Насосные установки с питанием от СБ пока имеют небольшую мощность и применяются в основном для удовлетворения нужд автономных потребителей. Однако задачей дальнейших исследований таких установок является повышение их эффективности, надежности, что открывает для СВУ большую перспективу практического применения. При этом немаловажную роль играет методика расчета и выбор оптимальных параметров СВУ при их проектировании и эксплуатации. У У.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании выполненных исследований сделаны следующие.