автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Использование солнечной энергии для обеспечения водоснабжения сельскохозяйственных районов Западной Африки

На правах рукописи

ИБРАХИМ ТОГОЛА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАЙОНОВ ЗАПАДНОЙ АФРИКИ

Специальность 05.14.08 "Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена на кафедре возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Елистратов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты

\

Ведущая организация: Физико-

- доктор технических наук, профессор Виссарионов Владимир Иванович

- кандидат технических наук, доцент Беляев Андрей Николаевич

гееский Институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита диссертации состоится 16 декабря 2003 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.17 в Санкт-Петербургском Государственном Политехническом Университете по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Гидрокорпус-2, ауд. 411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

Автореферат разослан" 2003 г.

Г

Ученый секретарь диссертационного совета В.Т. Орлов

Д

УI Актуальность темы. В странах Западной Африки имеется большая потребность в водоподъёмных установках для обеспечения водой сельскохозяйственных районов с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Из всех устройств для преобразования энергии возобновляемых источников солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) являются самыми распространёнными в странах западной Африки, особенно для энергопитания систем водоснабжения.

В настоящее время технологии применения солнечных фотоэлектрических

установок достаточно развиты и надёжны, причем стоимость солнечных фотоэлектрических установок продолжает снижаться, а КПД увеличиваться. Если в 80-х годах 1 Ватт пиковой мощности стоил около 20$ США при КПД меньше 10% , то сегодня 1 Ватт пиковой мощности стоит около 3$ США с КПД больше 14%. Необходимо отметить, что гарантийный срок современных солнечных фотоэлектрических установок составляет более 20 лет. В мире продолжаются исследования, разрабатываются новые солнечные фотоэлектрические установки со следящими системами и конструкции с концентра!орами и солнечными элементами с высоким КПД (около 30%). Различные солнечные фотоэлектрические установки выпускаются и предлагаются на рынке. Поэтому очевидна перспектива развития водоснабжения на основе использования солнечной энергии для сельскохозяйственной местности западно-африканских стран.

В большинстве стран Западной Африки до сих пор используются однотипные дорогостоящие конструкции солнечных фотоэлектрических установок для водоподъёмных систем. Выбор лучших, наиболее экономичных схем и конструктивных решений, учитывающих условия эксплуатации, природно-климатические и социально-экономические особенности стран Западной Африки, является весьма 'актуальными при внедрении систем водоснабжения на основе солнечных фотоэлектрических установок в сельскохозяйственной местности, что и определило цель и задачи данной

я

диссертационной работы.

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 расчёт 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:

1. Определены районы, в которых целесообразно применять системы солнечного водоподъёма, на основе классификации источников и потенциала ^ подземных вод в республике Мали.

2. Обоснована целесообразность использования СФЭУ с одноосной системой слежения по результатам расчёта поступления солнечной энергии на произвольно ориентироваванные поверхности применительно к условиям Мали и другим странам Западной Африки.

3. Выбрана наиболее рациональная схема системы водоснабжения на базе СФЭУ.

4. Сформированы принципы и осуществлен выбор элементов системы водоснабжения на основе проведенного анализа имеющихся систем солнечного водоподъёма.

5. Разработана и реализована новая методика расчёта и выбора лучших вариантов СФЭУ для водоснабжения сельскохозяйственных районов в Западной Африке.

Практическая ценность

Разработанные методы и результаты исследований по выбору лучших л вариантов схемы систем водоснабжения и конструкций СФЭУ могут быть

использованы для решения задач проектирования солнечных фотоэлектрических водоподъёмных установок в соответствии с социально-экономическим состоянием сельскохозяйственных районов в Западной Африке. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа возможных путей решения проблемы водоснабжения сельскохозяйственных районов западной Африки;

2. 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;

3. Результаты анализа современного состояния использования солнечных фотоэлектрических энергоустановок на основе опыта западноафриканских стран по применению таких установок для водоподъёма;

4. Обоснование целесообразности выбора СФЭУ с одноосной системой слежения по результатам анализа поступления солнечной энергии на произвольно ориентированные поверхности;

5. Методика выбора структурной схемы системы водоснабжения для

фермерских хозяйств Западной Африки;

5

6. Принципы выбора элементов солнечных систем водоснабжения с учетом взаимосвязей между ними при использовании солнечного излучения в качестве первичного источника энергии;

7. Методика выбора лучших вариантов солнечных фотоэлектрических установок для систем водоснабжения в соответствии с социально-экономическим состоянием сельскохозяйственных районов в Западной Африке.

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на различных европейских и африканских семинарах, конференциях, симпозиумах, а также отраслевых семинарах и конференциях: 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 l'Energie du Mali 2003, Energie et Pauvrete Banque Mondiale Dakar Senegal 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 \ ^ о страниц машинописного- текста, рисунков, YS таблиц и список цитируемой литературы изД\ наименований.

I

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи исследований, приводятся сведения о научной новизне и практической ценности работы, апробации разработок и исследований.

В первой главе приведен анализ проблемы водоснабжения сельскохозяйственных районов стран Западной Африки и предложены некоторые пути её решения. Для этого страны Западной Африки были разделены на «сухие» страны (Мали, Буркина Фасо, Нигер, Мавритания, Сенегал) и страны на набережье Атлантического океана (Нигерия, Бенин, Того, Гана, Кот Дивуар, Либерия и другие) где проблема водоснабжения стоит не так остро. Рассмотрены и проанализированы климатические условия «сухих» стран, обусловленные тропическим, континентальным и частично субэкваториальным климатом (минимальная температура +17°С и максимальная температура +45°С) и определены потребности в воде для их сельскохозяйственных районов и возможные пути удовлетворения этих потребностей.

Классифицирована территория Мали с точки зрения глубины залегания подземных вод и общего потенциала водных ресурсов (рис.1). Анализ показал, что в северных и центральных частях Мали подземные воды залегают на глубине от 10 до 50 метров, что позволяет широко использовать их для целей водоснабжения. В то же время более 45% населения этих местностей не имеют современного водоснабжения.

Выполнен анализ перспектив использования традиционных источников энергии для питания водоподъёмных установок, который показал неперспективность и нерентабельность применения таких источников.

Рассмотрена и проанализирована возможность применения возобновляемых источников энергии различных видов для энергопитания

водоподъемных установок, а также выявлен потенциал этих видов энергии в странах Западной Африки: энергии биомассы, .ветровой энергии, солнечной энергии.

Показано, что использование солнечной энергии для энергопитания водоподъемных установок является наиболее перспективным по сравнению с другими видами возобновляемой энергии. В среднем, Западная Африка получает солнечной энергии около 5-8 кВт-ч/м2/день. На рис. 2. представлены реальные поступления солнечного излучения на горизонтальную поверхность в течение года на территории Мали.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Врекя(мес.)

Рис. 2. Реальное поступление солнечного излучения на горизонтальную поверхность в течение года на территории Мали

Во второй главе рассмотрено современное состояние и развитие солнечных фотоэлектрических установок.

Рассмотрены фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии на

основе кремния, арсенида галлия, теллурида кадмия, аморфного кремния и др.

и динамика изменения их стоимости. Если в США в начале 1960-х годов 1 Вт

пиковой мощности солнечной батарей на основе кремния (Si) стоил 400$ США,

то в 1972 г. стоимость его снизилась до 50$ США/Вт, в 1975г - до 20$ США/Вт,

а в 2002 году составила около 3$ США/Вт для конструкции без

концентраторов. Разработанные в Физико-техническом Институте им. А.Ф.

Иоффе РАН (г. Санкт Петербург) фотопреобразователи на основе

гетероструктур арсенида галлия-арсенида алюминия со сферическими и

линзовыми концентраторами позволили создать солнечные модули с

9

КПД более 20%, из которых можно скомпоновать достаточно мощные СФЭУ. Учитывая, тенденцию снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, строительство небольших модульных солнечных электростанций становится экономически целесообразным.

Проанализирован опыт применения солнечных фотоэлектрических энергоустановок для водоснабжения в сельских районах в ряде стран Западной Африки: Мали, Гана, Буркина Фасо, Сенегал и по нескольким региональных програм.

В настоящее время в странах Западной Африки эксплуатируется более 1800 солнечных водоподъёмных установок общей мощностью более 2,3 МВт. Из 500 установок СФЭУ для водоподъёма в Мали с общей мощностью около 1000 КВт менее 5% имеют центробежные насосы; остальные 95% используют погружные насосы с минимальной мощностью 850 Вт и максимальной мощнос!ью 12960 Вт. При этом наиболее распространенная мощность СФЭУ составляет 1000-1600 Вт, которая обеспечивает потребности в воде для небольших сельскохозяйственных потребителей (рис.3). Из-за отсутствия международного тендера по выбору наилучшей конструктивной схемы и оборудования СФЭУ данные проекты оказались очень дорогими.

Таким образом, несмотря на многолетний опыт западноафриканских стран по внедрению солнечных водоподъёмных установок; отсутствие методики выбора лучших систем для этих стран приводило к неоправданному перерасходованию средств.

Кол-во установок

120

90-

60

3

300- 700- 1100- 1500- 1900- 2300- 2700- 3100- 3500- 3900- 4300- 4700- 5100- 5500- 5900- Мощность, 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200 5600 6000 Вт

Рис. 3. Распределение солнечных водоподъёмных установок по мощности

В третьей главе обоснована целесообразность использования СФЭУ с одноосной системой слежения по результатам расчёта поступления солнечной энергии на произвольно ориентированные поверхности, применительно к условиям Мали: ср = 15° с.ш., долгота X = 9° з.д. и средний меридиан для местного часового пояса Я.ср = 0°.

В качестве исходной информации использованы данные месячной суммарной солнечной радиации, приходящейся на горизонтальную

Разработана структура водопотребления для фермерского хозяйства и рассчитано суточное водопотребление .

поверхность Q,

•мес гор реал

= /(0 , полученные в метеоцентре Мали.

(i)

где Упол - объем воды, необходимый для полива земель, Ускот - объем воды используемый для животноводства,

Ком ' °бъем воды на коммунальные бытовые нужды.

Для выбора лучшей системы проработаны и.проанализированы различные схемы систем водоснабжения, отличающиеся составом оборудования и наличием или отсутствием бака аккумулятора. В результате выполненного анализа выбрана структурная схема системы водоснабжения, в наибольшей степени удовлетворяющая потребностям фермерского хозяйства, которая представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема системы водоснабжения

Обоснован выбор элементов системы "солнечная фотоэлектрическая установка - электродвигатель - насос".

В этом случае мощность солнечной батареи (СБ), Рев определяется из уравнения баланса энергии:

5 (2)

V,

„ У-р-Н

где, Р^ =—--, т - продолжительность солнечного сияния в течение >

месяца; Р,д - потребляемая мощность асинхроного электродвигателя; -время работы установки; 77, - КПД инвертора; V - объем воды, //-напор; р -плотность воды; £ - ускорение свободного падения; Т]эд, т}н - КПД электродвигателя и насоса.

Таким образом, без учета расхода энергии на собственные нужды мощность СБ равна:

У-рН8

Реп-

(3)

т-Ч*-1Ь'Л,

СФЭУ относятся к источникам питания постоянного тока, поэтому при применении электродвигателя переменного тока (асинхроный двигатель) для вращения насосов его подключают через инвертор. В выбранной схеме

применен инвертор с тиристорным микропроцессором преобразователя

\

частоты (ТГТЧ) для регулирования частоты вращения насосов. При использовании ТТГЧ повышается эффективность водоподъёмной установки и возможен выбор режима её работы в зависимости от интенсивности солнечной радиации. Это позволяет следить за изменением прихода солнечного излучения и держать напряжение на электродвигателе почти постоянным. Схема соединения представлена на рис. 5.

СБ

Инвертор сТПЧ

Асинхронный двигатель

Бак воды

Рис. 5. Принципиальная схема соединений элементов СФЭУ и система

водоподъёма

Четвертая глава посвящена исследованию энергетических характеристик солнечных насосных установок и взаимосвязи их элементов.

Рассматриваются математические модели всех элементов и влияние изменения прихода солнечной радиации на их параметры.

проанализированы два варианта компоновки оборудования солнечных установок.

1. Водоподъёмная установка с электрической аккумуляторной батареей при питании двигателя постоянного тока (ДПТ) насоса только от аккумуляторной батареи.

2. Водоподъёмная установка с регулированием частоты вращения приводного асинхронного двигателя без аккумуляторной батареи.

Показано,что использование аккумуляторных батарей (АБ) в качестве накопителя энергии позволяет улучшить энергетические и переходные характеристики системы «солнечная фотоэлектрическая установка-двигатель-насос», так как при этом не требуется согласования режима и характеристики двигатель - насос (нагрузка) с вольтамперной характеристикой (ВАХ) солнечных фотоэлектрических установок. Однако, анализ опыта работы I

аналогичных установок в этой области показывает, что использование АБ в качестве накопителя энергии для дальнейшего питания ДПТ имеет ряд недостатков: дороговизну и громоздкость АБ; необходимость постоянного технического обслуживания, частую их замену; потери энергии в процессе накопления. Для условий западноафриканских сельскохозяйственных районов целесообразно для водоподъёмных систем обходиться без аккумуляторных батарей и использовать второй вариант.

При прямом подвключении двигателя-насоса к СФЭУ через инвертор для эффективной работы установки в течение всего рабочего времени необходимо соблюдать следующее критериальное условие:

Рсл=Ря/?7с, (4)

где Рц - полезная мощность насоса; 1}с~ КПД системы. |

Для всех уровней солнечной радиации потребляемая мощность насоса должна быть близка к величине оптимальной пиковой мощности СБ, которая является функцией от радиации Рсб = / (Е) и определяется ВАХ солнечной батареи 1СБ =/ (иСв)-

В пятой главе описана методика расчета и выбора лучшей вариантов

солнечных фотоэлектрических установок для водоснабжения в соответствии с социально-экономическим состоянием сельскохозяйственных районов Западной Африки.

Проведен анализ сравниваемых вариантов конструктивных схем конкурирующих солнечных батарей. Конструктивные схемы солнечных электроустановок разделены на две основные группы: без концентратора и с концентраторами лучистой энергии.

Разработана методика расчёта площади различных конструкций солнечной батареи SCs обеспечивающих необходимую потребность для фермерского хозяйства в любое время года.

1. Мощность, потребляемая насосом:

Р.-вХИ- (5)

%

2. Мощность, потребляемая электродвигателем, равна:

p»=zr- ' (6)

'/ эд

3. Площадь СБ определяется выражением:

ср Чсэ

где rj„ - коэффициент полезного действия солнечного элемента; при определении Еср учитываем только время солнечного сияния.

Определены стоимости солнечных батарей различных конструкций:

1. Плоской СБ:

СсБп — Ссэп • SCEn } (8)

где Ссэп - стоимость единицы площади солнечных элементов, используемых в плоской СБ; Ses* ~ площадь плоской СБ.

2. СБ с концентратором:

(-■Г Кг — С.

_ С С А-С СБк - Т

к

ск "СБк

СБк

Г< 1 ^СЭК

" л:

(9)

где Сски Ссэк - стоимость единицы площади концентратора и солнечных элементов (СЭ), используемых в СБ с концентратором; К - коэффициент концентрации; Бспк - площадь солнечной батареи с концентратором.

3. Из приведенных соотношений получаем:

С С

, (Ю)

са

Используя последнее выражение, строим зависимость

СБк

при заданных соотношениях Ссж / Ссэп и Ск/ Ссэк .

Обеими соотношениями можно варьировать т.е. Ссзк/Ссэ„- уаг. и Ск /Ссж -

уаг.

Из результатов расчётов представленных в табл. 1 и на рис. 6, следует что даже в случае, когда стоимость СЭ из арсенида галлия (ОаАэ) в 10 раз превышает стоимость СЭ из кремния (81), полная стоимость СБ с концентраторами будет в 8 -20 раз меньше, чем стоимость плоской СБ при одноосном слежении с концентратором (К = 200).

Таким образом доказана целесообразность использования СФЭУ с концентраторами в виде линз Френеля и СЭ из ваЛв, имеющей одноосное слежение в водоподъемных установках для фермерских хозяйств. Такая установка должна иметь площадь не менее 20 м2.

1

I

Рис. 6. Соотношение стоимости плоских СБ и СБ с концентратором в • СФЭУ при К = 200

В заключении представлены следующие выводы по результатам диссертационной работы:

1. Показано, что проблема водоснабжения в сельскохозяйственных районах Мали и других стран Западной Африки может быть успешно решена при использовании солнечных водоподъёмных установок. Определены объемы воды, требуемые для полива земель, водопоя скога и удовлетворения бытовых нужд в выбранном сельскохозяйственном районе Мали в течение года, и соответствующие мощности солнечных фотоэлектрических установок;

2. На основании сравнительного анализа различных схем выбрана система водоснабжения, обеспечивающая типичное водопотребление на ферме и позволяющая уменьшить стоимость установки, в том числе затраты на аккумуляторный бак;

3. Показано, что слежение за Солнцем позволяет существенно на 30%) увеличить поступление солнечного излучения на поверхность и обоснована целесообразность использования СФЭУ с одноосной системой слежения в условиях Мали;

4. Выбрана структурная схема солнечной водоподъемной установки без АБ, в которой применяется инвертор с микропроцессором. Преимущества использования такого инвертора, заключается в том, что он позволяет поддерживать постоянным значение напряжения на входе электродвигателя, а следовательно, стабилизирует частоту вращения электродвигателя и насоса при изменении интенсивности солнечного излучения, что увеличивает КПД электродвигателя и насоса;

5. Разработана методика и произведен расчет площади и стоимости СФЭУ различных типов, в результате которого установлено, что:

- несмотря на существенное изменение в течение года среднего объема водопотребления (V, м3), площадь солнечных батарей различных типов изменяется не существенно. Это объясняется тем, что изменение водопотребления соответствует изменению прихода солнечной энергии;

- площадь неориентируемых СФЭУ значительно (~ на 27%) превышает площадь СФЭУ, 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 с концентраторами в виде линз Френеля и СЭ из ваАБ, имеющие систему слежения за солнцем. Выбранная СФЭУ с концентраторами должна иметь мощность ~ 2,5 кВт и площадь не менее 20 м2, чтобы обеспечить мощность, требуемую для гарантированного водоснабжения фермы в течение всего года;экономический расчет показывает, что полная стоимость установки составляет 39334 $ США против 77000 $ США аналогичной установки, уже построенной в Мали.

18

2.

3.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы:

1. Togola I., Burrell Т. PV Experiences in Africa, UNEP Collaborating Center on Energy and Environment, Risoe, Denmark, 2001, c.43-44 Togola I., The place of Renewable Energy in the Sustainable Development Policy of West AFRICAN Countries, International Renewable Energy Agency (IRENA): Eurosolar- Berlin 2001, c.52-53 Togola I., Burrell T., Sokona Y., A New Sustainable Energy Path for African Development: Think Bigger Act Faster, EDRC/ENDA, Energy and Development Research Centre, University of Cape Town South Africa, Environmental Development Action, Senegal, 2002, C.52-54 Prof. Elistratov V.V, Togola I., Burrell T., Renewable Energy in West Africa, Forum for World Council for Renewable Energy Berlin 2002, c. 151-153

Togola I., Sarr S., Secteur Prive et les Energies Renouvelable en Afrique de POue;.\ Cas de AREED (African Rural Energy Enterprises Development), Energie et Pauvreté, Banque Mondiale, Dakar Sénégal 2003

Togola I., Le Mali-Folkecenter pour les Energies Renouvelable, expériences au Mali, Forum des Energies Renouvelable au Mali 2003

4.

5.

6.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97.

Подписано в печать Л, 4), AOÙ3,.-Тираж /ОС.

Объем в п.л. Заказ 5Ь ¥.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СП6ГГ1У 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Отпечатано на ризографе КГЧ-2000 ЕР Поставщик оборудования — фирма "Р-ПРИНТ" Телефон: (812) 110-65-09 Факс: (812) 315-23-04

89 9 J

^ооЭЧ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ВОДОСНАБЖЕНИЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАЙОНОВ ЗАПАДНОЙ АФРИКИ И ПУТИ ЕЁ РЕШЕНИЯ.

1.1. Потребности в воде в сельскохозяйственных районах.

1.2. Источники поступления воды в сельскохозяйственных районах.

1.3. Способы получения электроэнергии для подъёма воды.

1.3.1. Традиционные источники энергии.

1.3.2. Возобновляемые источники энергии.

1.3.2.1. Энергия биомассы.

1.3.2.2. Ветровая энергия.

1.3.2.3. Солнечная энергия.

ГЛАВА II. СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ОПЫТ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАЙОНОВ ЗАПАДНОЙ АФРИКИ.

2.1. Основные свойства солнечного излучения и области его применения.

2.2. Технология работы фотоэлектрических преобразователей солнечной ф энергии.

2.3. Современное состояние использования солнечных фотоэлектрических установок.

2.4. Опыт применения солнечных фотоэлектрических установок для водоснабжения в сельских районах Западной Африки.

2.4.1. Опыт Мали.

2.4.2. Опыт Ганы.

2.4.3. Опыт Буркина Фасо.

2.4.4. Опыт Сенегала.

2.4.5. Опыт региональных программ.

2.5. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА III. ФОРМИРОВАНИЕ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ВЫБОРА СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ.

3.1. Методика поступления солнечной радиации.

3.1.1. Методика расчёта поступления солнечной радиации на горизонтальную, наклонную и следящую поверхности.

3.1.2. Пример расчёта поступления солнечной радиации по методике.

3.2. Обоснование структуры водопотребления.

3.2.1. Расчёт водопотребления.

3.2.2. Выбор системы водоснабжения.

3.3. Структурные схемы автономной системы "солнечная фотоэлектрическая установка — электродвигатель — насос".

3.3.1. Исследование и выбор структурной схемы.

3.3.2. Выбор инвертора и электронасоса для системы водоснабжения.

ГЛАВА IV. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭЛЕМЕНТОВ В СОЛНЕЧНЫХ ВОДОПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВКАХ.

4.1. Солнечная водоподъёмная система.

4.2. Математическая модель фотоэлектрического модуля солнечной фотоэлектрической установки.

4.3. Математическая модель исполнительного электродвигателя.

4.4. Совместная работа системы "солнечная фотоэлектрическая установка-аккумуляторная батарея - двигатель постоянного тока".

4.5. Анализ характеристик насоса и регулирование режима его работы.

4.6. Совместная работа системы "солнечная фотоэлектрическая установка - двигатель - насос-аккумулятор".

ГЛАВА V. МЕТОДИКА СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА И ВЫБОРА СФЭУ ДЛЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАЙОНОВ ЗАПАДНОЙ АФРИКИ.

5.1. Анализ конструктивных схем конкурирующих солнечных батарей.

5.1.1. Солнечная электроустановка без концентраторов.

5.1.2. Солнечная электроустановка с концентратором.

5.2. Расчёт площади солнечной батареи разных конструкций.

5.2.1. Методика расчёта площади солнечной батареи.

5.2.2. Исходные данные и результаты расчётов.

5.3. Методика расчёта стоимости СБ разных конструкций.

5.4. Выбор лучших вариантов солнечных фотоэлектрических установок для водоснабжения сельскохозяйственных районов Западной

Африки.

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/м /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 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:

1. CEDEAO - Communaute Economique des Etats de PAfrique de l'Ouest -Экономическое сотрудничество западно-африканских стран, в которое входят все страны Западной Африки, кроме Мавритании;

2. OMVS - (Organisation pour la Mise en Valeur du Fleuve Senegal) -Сотрудничество по использованию водных ресурсов реки Сенегал (Сенегал, Мали, Мавритания);

3. 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;

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

Бамако (столица Мали) в 1985 году было около 600 ООО 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.

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 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:

1. Определены районы, в которых целесообразно применять системы солнечного водоподъёма, на основе классификации источников и потенциала подземных вод в республике Мали.

2. 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.

3. Выбрана наиболее рациональная схема системы водоснабжения на базе СФЭУ.

4. 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 фотоэлектрических водоподъёмных установок в соответствии с социально-экономическим состоянием сельскохозяйственных районов Западной Африки.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа возможных путей решения проблемы водоснабжения сельскохозяйственных районов Западной Африки.

2. 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.

3. Результаты анализа современного состояния использования солнечных фотоэлектрических энергоустановок на основе опыта западноафриканских стран по применению таких установок для водоподъёма.

4. Обоснование целесообразности выбора СФЭУ с одноосной системой слежения по результатам анализа поступления солнечной энергии на произвольно ориентированные поверхности.

5. Методика выбора структурной схемы системы водоснабжения для фермерских хозяйств Западной Африки.

6. Принципы выбора элементов солнечных систем водоснабжения с учетом взаимосвязей между ними при использовании солнечного излучения в качестве первичного источника энергии.

7. 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:

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 l'Energie 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении представлены следующие выводы по результатам диссертационной работы:

1. Показано, что проблема водоснабжения в сельскохозяйственных районах Мали и других стран Западной Африки может быть успешно решена при использовании солнечных водоподъёмных установок. Определены объемы воды, требуемые для полива земель, водопоя скота и удовлетворения бытовых нужд в выбранном сельскохозяйственном районе Мали в течение года, и соответствующие мощности солнечных фотоэлектрических установок.

2. На основании сравнительного анализа различных схем выбрана система водоснабжения, обеспечивающая типичное водопотребление на ферме и позволяющая уменьшить стоимость установки, в том числе затраты на аккумуляторный бак.

3. Показано, что слежение за Солнцем позволяет существенно на 30%) увеличить поступление солнечного излучения на поверхность; обоснована целесообразность использования СФЭУ с одноосной системой слежения в условиях Мали.

4. Выбрана структурная схема солнечной водоподъемной установки без АБ, в которой применяется инвертор с микропроцессором. Преимущества использования такого инвертора, заключается в том, что он позволяет поддерживать постоянным значение напряжения на входе электродвигателя, а следовательно, стабилизирует частоту вращения электродвигателя и насоса при изменении интенсивности солнечного излучения, что увеличивает КПД электродвигателя и насоса.

5. Разработана методика и произведен расчет площади и стоимости СФЭУ различных типов, в результате которого установлено, что:

- несмотря на существенное изменение в течение года среднего объема водопотребления, площадь солнечных батарей различных типов изменяется не существенно. Это объясняется тем, что изменение водопотребления соответствует изменению прихода солнечной энергии;

- площадь неориентируемых СФЭУ значительно на 27%) превышает площадь СФЭУ, 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 с концентраторами в виде линз Френеля и СЭ из GaAs, имеющие систему слежения за солнцем. Выбранная СФЭУ с концентраторами должна иметь мощность ~2,5 кВт и площадь не менее 20 м2, чтобы обеспечить мощность, требуемую для гарантированного водоснабжения фермы в течение всего года; экономический расчет показывает, что полная стоимость установки составляет 39334 $ США против 77000 $ США аналогичной установки, уже построенной в Мали.

1. Альтернативные источники энергии. Материалы советско-итальянского симпозиума. - Москва: ЭНИН. - 1983

2. Андерсон Б. Солнечная энергия: перевод с англ. Москва: Стройиздат.- 1982

3. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. — Москва -Ленинград: Госэнергоиздат. 1963

4. Андреев В.М. , Грилихис В.А. , Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград.- 1990

5. Байрамов Р. Альтернативные источники энергии на службу человека.- Механизация и электрификация сельского хозяйства 992, № 10.

6. Баум В.А., Байрамов Р. , Малевский Ю. Возможности использования солнечной энергии для освоения пустыни. Проблемы освоения пустыни. - 1967

7. Беленов А.Т. , Тарнижевский Б.В. Выбор оптимальной схемы соединения солнечных генераторов с электроприводом. Гелиотехника. -№3. -1969

8. Беленов А.Т. , Тарнижевский Б.В. Оптимизация режимов генерирования электроэнергии в автономной системе фотоэлектричес-кий-генератор-электродвигатель постоянного тока. Гелиотехника.- № 6. 1969

9. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. Ленинград: Издательство Ленинградского Университета. - 1991

10. Веников В.А., Путятин Е.В. Введение в специальность. — Москва: Высшая школа. 1988

11. Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Хаммуд Хуссейн Аббас. Обоснование режимов работы насосной установки при электропитании от СБ. Всесоюзн. совещ.: Тез. докл. г. Геленджик. - 1988

12. Водозаборнове сооружение с энергоснабжением от фотоэлектрической станции/ Информ. лист. № 254-88. — 1987

13. Гидроэнергетика / Александровский А.Ю. и др. Москва: Энергоатомиздат. - 1988

14. Гидроэнергетические установки/Д.С.Щавелев, Ю.С.Васильев, Г.А.Претро и др. / Под ред. Д.С.Щавелева. Москва: Энергия. - 1988

15. Григорьев В.И. Оптимизация управления гидроагрегатом при больших изменениях нагрузки. Труды ЦНТИ. - Вып. 148.- 1977

16. Грилихис В.А. Солнечные космические энергостанции. -Ленинград: Наука.- 1986

17. Даниельс Ф. Исследование по использованию солнечной энергии. Москва.- 1957

18. Даффи Д., Бекман У. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. Москва: Мир. - 1977

19. Евдокимов В.М. и др. Солнечные батареи / Итоги науки и техники -Москва: ВИНИТИ. Серия: Генераторы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. - Т.З. - 1977

20. Захидов Р.А., Умаров Г.Я. Теория и расчет гелиотехнических концентрирующих систем. Ташкент.— 1977

21. Зоорт М. Исследование схемных решений и параметров систем гелио-теплоснабжения с учётом климатических условий Ливана: Авторефератдисс. . к.т.н. -Киев.- 1981

22. Использование солнечной энергии/Под ред. Л.Е.Рыбаковой. Ашхабад.- 198523