Turkmenistan
Russian Federation
UDC 620.9
The article considers solar and wind energy resources and their ecological potential in the Khazar Reserve on Ogurchinsky Island in the Caspian Sea. The methodological basis is formed by the empirical calculations for the preparation of a feasibility study and the creation, develop- ment and implementation of energy-efficient technologies based on solar-wind energy equip- ment in the Reserve. The paper provides an energy, economic and ecological assessment of a solar power station with a capacity of 10 kW h/day based on theoretical and methodological calculations and taking into account natural and climatic conditions. The station generates electricity (3658.34 kW∙h/year), saves organic fuel (1463.336 kg of equivalent fuel) and re- duces harmful emissions into the biosphere: SO2 (30.41 kg), NOx (16.38 kg), CO (2.13 kg), CH4 (4.47 kg), CO2 (2339.64 kg), solids (3.19 kg). One 400 W wind turbine can generate 19.45 kW∙h/m2∙year, or an average of 1.62 kW∙h/m2∙month, with an equivalent reduction in fuel consumption of 7.78 equivalent fuel. The obtained scientifically substantiated results will contribute to the improvement of social, living, economic and environmental conditions of the island's inhabitants, the conservation of bioresources, and strengthening energy and environmental security. The results of the feasibility study will help implement various solar- wind technological complexes in the region.
solar-wind energy resources, environmental potentials, mathematical statistics, Khazar Reserve, Ogurchinsky Island, Caspian Sea
Введение
Решение задачи энергообеспечения заповедных зон и пастбищных хо- зяйств пустыни Каракумы, удаленных от централизованных энергосетей, тре- бует изучения энергопотенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Оно также обусловлено глобальными проблемами изменения климата и необ- ходимостью улучшения социально-бытовых, экономических и экологических условий в труднодоступных регионах Туркменистана. Переход на ВИЭ в бу- дущем позволит сократить потребление ископаемых видов топлива, что обес- печит экологическую безопасность экосистемы и сохранит биоресурсы [1].
Туркменистан предпринимает все шаги в решении этой важной задачи и внедряет всесторонние механизмы в сотрудничестве с международными организациями для создания экологической и техногенной безопасности. Об этом сказал Президент Туркменистана в своих выступлениях на 78-й сес- сии Генеральной Ассамблеи ООН и 28-й Конференции сторон Рамочной кон- венции ООН об изменении климата.
На территории страны насчитывается восемь государственных природных заповедников – Репетекский, Бадхызский, Копетдагский, Сюнт-Хасардагский, Капланкырский, Амударьинский, Койтендагский и Хазарский – и 14 заказни- ков общей площадью 2.0 млн га, или 4 % территории.
Хазарский заповедник занимает площадь в 270 тыс. га, основная его часть расположена на территории Каспийского моря. На этой территории произрас- тает более 600 видов растений и обитает 466 видов птиц и 55 видов морских рыб, пять из которых занесены в Красную книгу. Сюда на зимовку прилетают более 5 млн птиц. Фауна региона включает редкие и охраняемые виды, такие как каспийский тюлень, ушастый еж и джейран. Здесь также обитают заяц- толай, камышовый и барханный коты, лисицы и другие представители пустын- ной экосистемы [1–4].
Р и с . 1 . Месторасположение о-ва Огурчинского (красная точка) Хазар- ского заповедника в Каспийском море [6, 7]
F i g . 1 . Location of Ogurchinsky Island (red dot) of the Khazar Nature Reserve in the Caspian Sea [6, 7]
1) Научно-прикладной справочник по климату СССР. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1989. Серия 3. Многолетние данные. Ч. 1–6. 502 с.
Системные меры по энергообеспечению острова и укреплению эконо- мической, продовольственной, водной и экологической безопасности можно реализовать с использованием возобновляемых энергоресурсов, в данном слу- чае на основе солнечно-ветровых энергетических установок в сочетании с со- временными «зелеными» технологиями. При этом в регионе будут сохра- няться биоресурсы и поддерживаться биоразнообразие. В настоящее время энергоснабжение заповедных территорий осуществляется на минимальном уровне: электричество вырабатывается с помощью маломощных бензоэлек- трических генераторов, а отопление организовано на основе сжиженного газа.
Одним из основных недостатков работы бензоэлектрических агрегатов в заповедной зоне является сильный шум генератора, звук которого слышен на расстоянии 5–10 км, что вызывает беспокойство у обитателей заповедной зоны. Кроме этого, при использовании топлива в окружающую среду посту- пают загрязняющие вещества.
Техническими недостатками бензиновых и дизельных генераторов явля- ются низкий моторесурс (600–1500 ч) и высокий расход органического топ- лива (от 350 до 500 г/кВт∙ч), эти генераторы не выдерживают больших осве- тительных нагрузок и не подлежат круглосуточному использованию для пи- тания бытовых, лабораторных и других электроприборов [2, 3, 8]. С учетом этого одним из основных требований к современным автономным энерго- источникам является круглосуточное энергообеспечение потребителей. В настоящее время состояние действующих энергетических станций (на бен- зиновых и дизельных генераторах) оценивается как неудовлетворительное из-за крайней изношенности материальной части.
Эти недостатки можно устранить путем внедрения солнечно-ветровых электростанций с учетом местного энергоресурсного потенциала, что одновре- менно смягчит негативное воздействие дизельных и бензиновых электростан- ций на окружающую среду. Все сказанное выше делает решение этой задачи несомненно актуальным.
Приоритетным и энергетически эффективным вариантом является исполь- зование солнечно-ветрового потенциала Хазарского заповедника на о-ве Огур- чинском (Ogurjaly) в Каспийском море. Но для внедрения солнечно-ветровых энергетических инженерных технологий в производство необходима разра- ботка проектно-сметной документации и технико-экономического обоснова- ния (ТЭО) их применения [1–3].
Степень разработанности темы. Большой вклад в развитие солнечно- ветровой энергетики внесли известные ученые, такие как В. А. Баум, П. П. Без- руких, В. И. Виссарионов 2), В. М. Евдокимов, Д. С. Стребков, Р. Б. Байрамов, В. П. Харитонов, У. А. Бекман, Д. А. Даффи, Дж. Твайдел, А. Ангстром,
Туркменские ученые также проделали значительную работу в области ис- пользования солнечной энергии и достигли весьма высоких научно-практиче- ских результатов. Основной недостаток этих научных исследований заключа- ется в том, что они не учитывают воздействие природно-климатических фак- торов и не проводят системных расчетов солнечно-ветровых энергетических ресурсов и их технического, экономического и экологического потенциалов.
Анализ литературных источников показывает, что регионы Каспийского моря и островá Туркменистана обладают значительными возобновляемыми энергетическими ресурсами, но в доступных научных исследованиях отсутст- вует оценка энергетической эффективности, не рассматривается экономиче- ская целесообразность и игнорируются экологические приоритеты 2), 3) [3–5, 9–15]. На основании приведенных выше аналитических исследований использо- вания солнечно-ветровых энергетических технологий определены цели и за- дачи исследования энергетического ресурсного потенциала солнечно-ветро-
вой энергии Хазарского заповедника.
Цель исследования – системно обосновать солнечно-ветровой энергопо- тенциал с использованием инновационной методики расчетов, оценить энер- гетический, экономический и экологический потенциалы для разработки и внедрения технологий возобновляемой энергетики в исследуемом регионе.
Задача исследования – обобщить и оценить технико-экономический, эко- логический ресурсный потенциалы солнечной и ветровой энергоустановок по параметрам энергоэффективности, экономии топлива, влияния на экологию о-ва Огурчинского Хазарского заповедника; провести по инновационной ме- тодике системные расчеты энергопроизводительности преобразования солнеч- ной радиации в электрическую и тепловую энергию и определить основной ветроэнергетический потенциал; составить уравнения регрессии для прогно- зирования энергоресурсов при подготовке ТЭО.
Предметом исследования является энергоэффективность и экологичность солнечно-ветровых установок для о-ва Огурчинского.
Научная новизна исследования заключается в использовании новой си- стемной методики расчета энергоэффективности с учетом природно-климати- ческих условий и применения солнечно-ветровых энергетических технологий, а также в оценке экономического и экологического ресурсного потенциала Ха- зарского заповедника для внедрения этих технологий на о-ве Огурчинском и составления ТЭО.
Методология и методы исследования
Методология и методы исследования основываются на системном под- ходе и теоретических и практических расчетных данных об использовании солнечно-ветровых энергетических технологий для сохранения богатого био- логического разнообразия и биоресурсов острова. Методологическую основу составили эмпирические расчеты для составления ТЭО и создания, разработки и внедрения энергоэффективных энергетических технологий на основе сол- нечно-ветрового энергооборудования в хозяйствах в исследуемом регионе 2), 3) [3–5, 14].
Метеорологические особенности острова
Энергоресурсы прямой солнечной радиации, поступающей на горизон- тальную поверхность при ясном небе в Туркменистане в течение года, варьи- руют от 1699.4 до 1793.0 кВт·ч/(м2·год) (146–154 ккал/см2), рассеянной сол- нечной радиации при чистом небе – от 372.3 до 453.0 кВт·ч/(м2·год) (32– 39 ккал/см2). В пасмурные и облачные дни активность прямой солнечной радиации снижается от 35 до 27 %, увеличивая рассеянную составляющую до 25–40 %. На всей территории Туркменистана суммарная солнечная энергия изменяется в пределах от 1687.7 до 1897.2 кВт∙ч/(м2·год) (145–163 ккал/см2). Ежемесячное распределение энергетического валового, технического, эконо- мического потенциала солнечной энергии в расчете на квадратный метр по- верхности 1) приведено на рис. 2 [3–7].
Как видно из рис. 2, солнечный энергетический ресурсный потенциал ост- рова меняется от 44 до 50 кВт·ч/(м2·мес.), суммарная солнечная радиация на го- ризонтальной поверхности составляет 1685.4 кВт·ч/(м2·год), среднемесячная ра- диация равна 140.45 кВт·ч/(м2·мес). Продолжительность солнечного сияния на острове составляет 2668 ч/год, среднее месячное сияние – 222.3 ч/мес. В июле солнце восходит в 4:44 и заходит в 19:16, а в январе восходит в 7:05 и заходит в 16:55 1) [3, 4, 8].
Температурный режим воздуха на острове зависит от сезона. Средняя температура колеблется от 4.0 до 27.9 °С, в мае она составляет 20.0 °С и удер- живается на этом уровне до октября, постепенно снижаясь до 17.5 °С, в январе
Время, мес.
Р и с . 2 . Ежемесячное распределение солнеч- ного энергетического ресурсного потенциала: валового Еоpi и технического Ei, преобразованных в тепловую Wтт и электрическую энергию Wтфi, преобразование удельной в тепловую Vтт и элек- трическую Vтф энергию на территории острова в течение года
F i g . 2 . Distribution of solar energy resource po- tentials: gross Еоpi and technical Ei, converted into thermal Wтт and electrical energy Wтфi specific pro- duction into thermal Vтт and electrical Vтф energy on the territory of the island by month during the year
достигает своего минимума – 4.0 °С. По климатическим данным, максималь- ная средняя температура воздуха в январе равна 11.0 °С, в июле она поднима- ется до 31.1 °С. Минимальная температура опускается в январе до −0.4 °С, в июле повышается до 23 °С, среднегодовая температура на острове составляет
11.0 °С 1) [3–7].
Ветроресурсы. Благодаря большой меридиональной протяженности Кас- пийского моря и разнообразию типов атмосферных явлений и циркуляции, на острове наблюдается сложный ветровой режим и неоднородное распреде- ление температуры воды. Эти параметры обусловлены различиями природно- климатических условий, синоптическими ситуациями, атмосферными явлени- ями, температурой воздуха и направлением течений, что приводит к колеба- ниям скорости ветра 1) [3–5, 8, 9].
Научные исследования показали, что формирование штормовых ветров зависит от характера рельефа местности и атмосферной циркуляции. Средняя скорость ветра на острове меняется в пределах от 2.4 до 4.6 м/с, средняя ско- рость за год равна 3.3 м/с. На острове наблюдались сильные штормовые ветры скоростью 25 м/с и более. Роза ветров 1) в заливе меняется в зависимости от циркуляции атмосферного воздуха по сезонам года [3, 4, 16, 17].
На рис. 3 приведено среднесуточное распределение ветрового и солнеч- ного энергопотенциалов по месяцам года для о-ва Огурчинского.
Р и с . 3. Среднесуточное распределение ветро- вого (ВЭ) и солнечного (СЭ) энергопотенциалов на о-ве Огурчинском по месяцам
F i g . 3. Average daily distribution of wind (ВЭ) and solar (СЭ) energy potentials on Ogurchinsky Island by month of the year
в пределах от 3 % юж- ного до 26 % западного с преобладанием запад- ного (26 %), северо-за- падного (16 %), северо- восточного (15 %) и юго- западного (14 %) ветров 1).
Методика исследования экоэнергетических ресурсов
В основу расчета солнечного ресурсного энергопотенциала были поло- жены методики 2) авторов работ [3–5, 12–16] с учетом условий Каспийского региона. Как уже отмечалось, до настоящего времени исследования новыми методами с учетом природно-климатических условий, гидрометеорологиче- ских факторов и расчетов для оценки технических, экономических потенциалов и экологических показателей в регионах Туркменистана не проводились [8–11]. При определении солнечно-энергетического потенциала на острове учтены многолетние метеорологические данные (продолжительность солнечного сия- ния; углы падения на наклонную и нормально ориентированную поверхности; часовой угол Солнца; параметры движения Солнца (склонения на наклонную поверхность и к горизонту, восхода и захода); характеристики рассеянной радиации, альбедо; среднемесячная и годовая температура наружного воздуха и поверхности работающей солнечной энергоустановки), а также удельные энергетические параметры солнечной энергоустановки, локальные климатиче- ские факторы.
При расчетах физических и математических моделей приняты некоторые допущения: территория острова рассматривается как участок с интенсивно поступающей на поверхность солнечной радиацией, географические и при- родно-климатические условия однородны на всей площади о-ва Огурчинского, использованы среднемноголетние метеорологические данные для всего ост- рова [3–5, 9].
Оптимальный угол наклона солнечных преобразователей на острове . Для эффективного использования солнечно-энергетических технологических станций и установок в течение года необходимо определить оптимальный угол наклона солнечного преобразователя с учетом географических особенностей места его установки. Рассчитаны следующие оптимальные углы наклона сол- нечного приемника с ориентацией восток – запад: зимой 54° (−0.82930 рад), летом 24° (0.42418 рад), среднегодовое значение 39° (0.26664 рад). Резуль- таты энергопроизводительности фотомодулей в зависимости от угла наклона для о-ва Огурчинского приведены на рис. 4 [2–4, 7, 19].
Валовый солнечно-энергетический потенциал – среднемноголетнее значе- ние суммарной солнечной радиации, поступающей на о-в Огурчинский в тече- ние года, которая рассматривается как энергетический ресурс.
Для расчета ресурсного валового потенциала учтены все приведенные выше метеорологические факторы солнечной радиации, поступающей на го- ризонтальную и оптимально наклонную поверхности в течение многолетнего периода. Данные систематизированы по месяцам года (Еi, где i = 1, 2, …, 12) 1) [3–5, 10, 17–20].
Р и с . 4 . Поступление солнечной радиации в зависимости от угла наклона фотомодуля, равного 0°; 24°; 54°; 39° (оптимальный угол для о-ва Огурчинского)
F i g . 4 . Receipt of solar radiation at different an- gles of inclination of the photomodule, the angles equaling 0°; 24°; 54°; 39° (the optimal angle for Ogurchinsky Island)
Расчеты выполняли с учетом среднего значения косинуса угла θ наклона прямой солнечной радиации к нормали в течение 10-часового интервала – с 7:00 до 17:00 – для фотомодуля площадью 0.24 м2. Среднемноголетнее зна- чение солнечной радиации Eоpi при безоблачном небе на единицу горизонталь- ной поверхности по месяцам года с учетом площади рассчитано по формуле
Е = EПi = (1 – ε)Ei = 456.2 кВт·ч/(м2·мес.),
оpi
⟨cos θ⟩
⟨cos θ⟩
где EПi – среднемноголетний приход прямого потока солнечной радиации на единицу горизонтальной поверхности по месяцам года, кВт·ч/(м2·мес.); Ei – среднемноголетний приход солнечной энергии на единицу горизонталь- ной поверхности по месяцам в течение года, кВт·ч/(м2·мес.); cos q – среднее значение угла падения солнечных лучей на нормально ориентированную по- верхность, который меняется от 24° летом до 54° зимой; e – коэффициент из- лучения, варьирующийся от 0.14 до 0.28 (среднегодовое значение 0.221667) 1), 2)
[3–5, 10, 14, 15]. Оптимальный угол наклона для острова за год – 39°.
Суммарная солнечная радиация Е за 10-часовой интервал в сутки, от 07:00 до 17:00, на единицу горизонтальной поверхности фотомодуля в год равна
E = ∑i Ei = 404.5 кВт·ч/(м2·год).
В итоге валовый потенциал солнечной радиации WВ на 0.24 м2 площади острова составляет
WВ = E·Sсэс = 404.5·0.24 = 97.08 кВт·ч/год, где Sсэс – площадь солнечной электростанции, м2.
Технический потенциал суммарной многолетней солнечной радиации опре-
деляется как количество энергии, которое может быть преобразовано в энергию с учетом экологических норм в течение года. В нашем случае он рассчитывается как сумма тепловой энергии, получаемой при преобразовании солнечной ради- ации для нагрева воды солнечным коллектором 1), 2) площадью 1.58 м2, и элек- троэнергии, вырабатываемой фотомодулем площадью 0.24 м2 [3–5, 10, 14, 15]. Технический потенциал преобразования солнечной энергии для нагрева воды водонагревателем. Использованы параметры вакуумного солнечного коллек- тора марки SCH-12, который теплоизолирован полиуретановой пеной и состоит из 12 вакуумных трубок с медными тепловыми трубками диаметром 14 мм. Площадь теплового коллектора равна 1.58 м², вес 41 кг, габаритные размеры 2000 × 950 × 1420 × 1400 мм. Коллектор можно использовать круглогодично,
он выдерживает температуру до −40 °С.
В расчетах также использовали такие теплотехнические параметры, как температура воды Т (60 °С); интенсивность поглощения F(τα) (0.9); коэффици- ент теплоотдачи FUL = 0.005 кВт/(м2·°С); среднемесячная температура Toi, °С; широта местности φ; угол склонения δ; продолжительность солнечного сия- ния, изменяющегося в течение i-го месяца tCi, ч/мес.; число ясных и полупас- мурных часов и продолжительность рабочего времени tРi, ч/мес. 2), 3) [3, 4, 12–15]. Технический ресурсный потенциал теплового коллектора Wттi, приходя- щийся на единицу отводимой площади Sт в течение рабочего периода времени
с 7:00 до 17:00, равен
Wттi = E F[(τα) – U (T – T )cos(–δ) tPi] = ∑ W = 102.65 кВт·ч/(м2·год),
Sт i
L оi
Ei 𝑖
ттi
где Sт – площадь, отводимая под тепловой коллектор, м2; F(τα) – интенсивность поглощения, F(τα) = 0.9; FUL – коэффициент теплоотдачи, 0.005; Toi – средне- месячная температура, °С; δ – угол склонения, град; tРi – продолжительность работы солнечного коллектора, ч/мес.
Суммирование по всем месяцам определяет потенциал солнечной тепло- вой энергии Wтт за 10-часовой интервал в сутки:
Wтт = 102.65·Sт,
где Sт – площадь, отводимая под солнечные тепловые установки, м2.
Технический потенциал электроэнергии, полученной от преобразования солнечной радиации. При расчетах использованы технические характеристики кремневого монокристаллического фотомодуля марки SIM-30-12-5BB: пло- щадь 0.24 м2; длина 541 мм; ширина 439 мм; высота 25 мм; мощность – 30 Вт; размер – 156 × 55.72 мм; рабочий вольтаж – 18.67 В; рабочий диапазон темпе- ратур от −40 до 85 °С.
В расчетных формулах учтены и приняты следующие параметры фото- модуля: градиенты температуры χ = 0.004 К–1; температура Т1 = 298 К; КПД η1 = 0.15; коэффициенты теплоотдачи λ = 40 Вт/м2·К; коэффициент поглоще- ния α = 0.97 3) [3–5, 14, 15].
Расчетное значение среднемесячной рабочей температуры Тi фотомодуля равно
Еi [α – η (1 + χT )] + ⟨λ⟩Toi
Т = tPi 1 1 ,
i ⟨λ⟩ – Ei η χ
tPi 1
где χ – градиенты температуры, 0.004 К–1; Т1,i – температура, 298 К; η1 – КПД, 0.15; λ – коэффициенты теплоотдачи, 40 Вт/м2·К; α – коэффициент поглоще- ния, 0.97.
Значения технических потенциалов Wтфi для каждого месяца при опти- мальном угле наклона солнечного фотопреобразователя (39°) рассчитываются исходя из площади одного фотомодуля Sф, равной 0.24 м2, по формуле
Wтфi
Sф = Eiη1[1 – χ(Ti – Т1)] = ∑i Wтфi = 42.7·Sф,
где Sф – площади одного фотомодуля, м2; Тi – среднемесячная рабочая темпе- ратура фотомодуля, К.
Суммарный технический потенциал за год Wтф, кВт·ч/год, определяется суммированием значений по всей площади фотомодуля:
Wтф = 42.7·Sф.
Экономический потенциал солнечной энергии характеризует возможный объем преобразования солнечной радиации в тепловую и электрическую энер- гию на о-ве Огурчинском в течение года с учетом экономической целесооб- разности. Представленные результаты экономически оправданы для данной территории при существующем уровне цен на энергоносители, получаемые
от преобразования традиционных источников энергии, и выражены в тоннах условного топлива (т у. т.) с учетом экологических норм.
При расчете экономического потенциала солнечной энергии для нагрева воды за основу взяты температура горячей воды ТГ = 60 °С и температура хо- лодной воды ТХ = 15 °С; технические характеристики и параметры солнеч- ных коллекторов: F(τα) = 0.9; F·UL = 0.005 кВт/(м2·°С); норма расхода воды m = 100 кг/(чел.·сут); цена коллектора С = 400 долл. США/м2; ТСЛ = 15 лет; теплоемкость воды ср = 4.17 кДж/(кг·°С) [3–5, 18–20].
Экономический ресурсный потенциал солнечных тепловых коллекторов, установленных под углом к горизонту, рассчитывается по формуле
WЭТi = Vтi⋅SЭТ,
где Wэтi – месячное значение экономического потенциала (i = 1, 2, …, 12) (сум- мирование проводится по всем месяцам года); SЭТ – экономически целесооб- разная площадь установленных тепловых коллекторов.
Объем выработки Vтi тепловой энергии от солнечной радиации вычисля- ется по формуле
Vтi = E ×F[(τα) – U (T – T ) tCi ] = ∑ V = 8.5 кВт·ч/(м2·мес.),
оi EHi
𝑖 тi
где EHi – солнечная радиация по месяцам, кВт·ч/(м2·год).
Удельный объем выработки солнечной энергии определяет экономиче- скую целесообразность ее использования и срок окупаемости установки.
Результаты расчета объемной теплопроизводительности водонагревателя, обеспечивающего нагрев воды до температуры до 44 °С (м3/мес.), приведены на рис. 5.
Таким образом, экономический потенциал солнечной радиации в регионе повышается в зависимости от величины объема вырабатываемой энергии, сни- маемой с единицы поверхности приемника теплового водонагревателя, с уче- том трех таких факторов, как критическое значение удельного съема тепловой энергии, экономических параметров потребляемой энергии и ценовых пара- метров промышленного производства энергии с учетом стоимости топлива и региональных экологических факторов.
Время, мес.
Р и с . 5 . Объемная теплопроизводительность солнечного водонагревателя при нагреве 1 м3 воды до температуры 44 °С
F i g . 5 . Volumetric heating output of a solar wa- ter heater when heating 1 m3 water to a tempera- ture of 44 °C by months
Расчет экономического ресурсного потенциала получения электроэнер- гии от преобразования солнечной радиации аналогично определяется выраже- нием
WЭФi = Vфi⋅SЭФ,
V = Eфi η1[1 – χ(Ti – T1)] = ∑𝑖 𝑉 = 3.6 кВт·ч/(м2·мес.),
где Vфi – объем выработки энергии единицей площади солнечной батареи в i-й месяц, кВт·ч/(м2·мес.); SЭФ – экономически целесообразная площадь установ- ленных солнечных фотомодулей, м2; Ефi – среднемноголетний приход солнеч- ной энергии на единицу поверхности солнечной батареи в i-й месяц года, кВт·ч/(м2·мес.) 2), 3) [3, 13–15].
Ожидаемые экономические показатели СЭС: электропроизводительность одной СЭС площадью 5.2 м2 при мощности одного фотомодуля 100 Вт и ори- ентации на юг с оптимальным углом наклона 39° составляет 5.01 кВт·ч/сут или 60.4 кВт·ч/год; суммарная выработка электроэнергии 1829.17 кВт∙ч/год. Стоимость солнечной электростанции составляет, по предварительным расче- там, 6336.96 долл. США; рентабельность – 6.76 %. При стоимости 1 кВт∙ч
0.055 долл. США срок окупаемости фотоэлектрической СЭС составит 2.8 года. Экологический потенциал солнечной радиации на территории острова – часть технического ресурсного потенциала, преобразованного в тепловую, электрическую и другие виды энергии с использованием технологического оборудования для снижения антропогенных нагрузок на окружающую среду
от ископаемого органического топлива [3–5, 17].
Энергетический, экономический и экологический потенциалы одного фо- томодуля на острове составляют 42.77 кВт∙ч/год или в среднем 3.6 кВт∙ч/мес. электроэнергии, при этом экономический эквивалент сокращения расхода топ- лива равен 17.1 кг у. т. Экологический потенциал сокращения вредных выбро- сов: SO2 – 0.3555 кг/год; NOx – 0.1915 кг/год; CO – 0.0248 кг/год; CH4 – 0.0522 кг/год; CO2 – 27.35 кг/год; твердых веществ – 0.0373 кг/год.
Аналогично используется солнечная радиация для преобразования энергии с целью нагрева воды до 44 °С. Энергетический, экономический и экологический потенциалы составят 102.65 кВт∙ч/год, или в среднем экономия 8.5 кВт∙ч/мес. электроэнергии, при этом эквивалент сокращения расхода топлива – 41.1 кг у. т., экологический потенциал сокращения вредных выбросов: SO2 – 0.853427 кг/год, NOx – 0.459538 кг/год, CO – 0.05968 кг/год, CH4 – 0.125328 кг/год; CO2 – 65.64826 кг/год, твердых веществ – 0.08952 кг/год.
Ветровой энергопотенциал
Ветрогенерирующая установка марки HY-400L малой мощности предна- значена для энергоснабжения. Технические характеристики: номинальная мощность 400 Вт; максимальная мощность 500 Вт; номинальное напряжение 24 В; запуск при скорости ветра 2 м/с; включение при скорости ветра 2.5 м/с; номинальная скорость ветра 12 м/с; рабочая температура от −40 до 60 °С; мак- симальная скорость ветра – 50 м/с; количество лопастей – 5; диаметр ротора –
1.55 м; обметаемая площадь – 1.89 м; габаритные размеры – 118 × 47 × 27 см.
С помощью одной ветроустановки высотой 5 м на острове можно получить электроэнергии 19.45 кВт∙ч/м2∙год, или в среднем 1.62 кВт∙ч/м2∙мес., а эквивалент
сокращения расхода топлива составляет 7.78 кг у. т.; экологический потенциал сокращения вредных выбросов: SO2 – 0.161706 кг/год; NOx – 0.087073 кг/год; CO – 0.011308 кг/год; CH4 – 0.023747 кг/год; CO2 – 12.43895 кг/год; твердых ве- ществ – 0.016962 кг/год 3) [3, 14–16].
Согласно полученным результатам расчетов, при использовании солнечной радиации для экономии топлива возможно снижение себестоимости различных видов продукции и энергозатрат на ее получение, улучшение экологической об- становки и социально-бытовых условий Каспийского региона Туркменистана.
Статистический анализ условий
При составлении ТЭО и расчете мощности отопительных приборов, а также при расчете тепловых потерь в различных климатических условиях для строи- тельства энергетических станций или сооружений можно применить уравне- ния регрессии [3–5, 10–12].
При составлении проектно-сметной документации и ТЭО для строитель- ства различных солнечно-ветровых энергетических объектов необходимы гид- рометеорологические данные Хазарского заповедника с количественными оцен- ками их распределения, чтобы облегчить работу инженеров, сметчиков и про- ектировщиков.
Для обработки данных использовали методы математической статистики. Полученные данные аппроксимировали в виде упрощенной диаграммы рассе- ивания с использованием линейного уравнения регрессии в форме корреляци- онного эллипса. В прямоугольной системе координат уравнение линейной ре- грессии имеет вид y = a + bx, где а – свободный член регрессии; b – регресси- онный коэффициент. Для аналитического исследования влияния падающей солнечной радиации на энергопроизводительность фотомодуля было разрабо- тано уравнение регрессии, учитывающее угол наклона: 0° (горизонтальное по- ложение); 24° (для летнего периода); 54° (для зимнего); 39° (оптимальный для местности). Рассмотрены также средний, максимальный, минимальный темпе- ратурные режимы, продолжительность солнечного сияния, скорость ветра, продолжительность пасмурных дней, количество осадков, температура почвы для прогнозирования энергопотенциала и расчета коэффициента детермина- ции, определяющего количественную оценку и тесноту связи переменных ве- личин. Полученные результаты приведены в виде уравнений ниже.
Важным этапом регрессионного анализа является математическое выра- жение, связывающее значение зависимой случайной величины у и значение независимой величины х. В результате получили значение (у) зависимой пере- менной – угла наклона фотомодуля: на горизонтальной поверхности он со- ставляет летом 24°, зимой 54°, оптимальный угол наклона в течение года 39°, а также значение (х) независимой переменной, то есть интенсивности падаю-
|
щей солнечной радиации на поверхность. Уравнения регрессий наклона фотомодулей получены следующие: |
для |
углов |
|
для 24°: y = 0.0004x + 0.1489; R = 0.0012; |
|
(1) |
|
39°: y = 0.0008x + 0.1445; R = 0.0079; |
|
(2) |
|
54°: y = 0.0005x + 0.1385; R = 0.0054; |
|
(3) |
0°: при горизонтальном положении
y = −0.0007x + 0.1435; R = 0.0017. (4)
Выработка электроэнергии солнечной установкой с одним фотомодулем:
y = −0.0098x + 3.628; R = 0.0018. (5)
Уравнение регрессии для выработки тепловой энергии одним солнечным коллектором при нагреве воды:
y = −0.0239x + 8.7094; R = 0.0018. (6)
Объем выработки теплой воды, м3:
y = −0.1885x + 77.435; R = 0.0015. (7)
Выработка электороэнергии солнечной электростанцией с 10 фотомодулями мощностью 10 кВт:
y = 0.0164x + 4.9286; R = 0.0026. (8)
Уравнение регрессии и коэффициент распространения средней скорости ветра:
y = −0.0038x + 3.4333; R = 0.0004. (9)
Выработка электроэнергии одним ветрогенератором:
y = 0.0034x + 1.5988; R = 0.0074. (10)
На основании данных научно-климатических справочников и данных, по- лученных от Государственной метеорологической службы, аналогично полу- чили уравнения регрессий:
для времени солнечного сияния:
y = 0.0573x + 7.46, (11)
продолжительности солнечного сияния:
y = 3.3776x + 200.88, (12)
средней скорости ветра:
y = −0.007x + 5.7788, (13)
количества пасмурных дней:
y = −0.1262x + 3.4621, (14)
количества осадков:
y = −0.4336x + 11.485, (15)
температуры почвы по месяцам года:
y = 0.6538x + 12.0. (16)
При определении тесной взаимосвязи двух величин х и у для острова в те- чение года были получены следующие коэффициенты корреляции R для выра- ботки солнечной энергии в электроэнергию: для одного фотомодуля – 0.0018, для теплового коллектора – 0.0018, для объема выработки теплой воды – 0.0015. Как видно, разброс взаимосвязи очень высокий [3–5, 17, 20].
Таким образом, с помощью полученных уравнений регрессии (1)–(16) можно прогнозировать предел промежуточного изменения в течение года сле- дующих показателей: выработки электроэнергии солнечно-ветровыми элек- тростанциями, средней скорости ветра, количества пасмурных дней, количе- ства осадков, средней температуры воздуха, продолжительности солнечного сияния и температуры почвы.
the environment per year on the island
Energy converter Technical potential,
kW∙h per year
Fuel consumption equivalent,
kg fuel equivalent per year
Substances emission, kg per year
SO2 NОx CO CH4 CO2
Solid particles
Solar power plant Wind power plant Water heater
42.77 17.110 0.3556 0.1915 0.0248
0.0522 27.3529 0.0373
19.45 7.780 0.1617 0.0870 0.0113
0.0237 12.4395 0.0169
102.65 41.060 0.8534 0.4595 0.0596
0.1253 65.6483 0.0895
Total 164.87 65.948
1.3707 0.7381 0.0958 0.2012 105.440 0.1437
топлива 17.1 кг у. т/год. Технический потенциал одного водонагревателя марки SCH-12 с поглощающей площадью 1.58 м² для нагрева воды до 44 °С составляет 102.65 кВт·ч/год.
В итоге рассчитаны ожидаемые значения общей энергопроизводительно- сти ВЭС и СЭС при преобразовании солнечной энергии в тепловую и электри- ческую (164.87 кВт·ч/(м2·год)) и сокращения вредных выбросов в окружаю- щую среду в год: экономия расхода топлива – 65.948 л/год, сокращение выбро- сов: SO2 – 1.3707 кг/год, NOx – 0.7381 кг/год, CO – 0.09585 кг/год, CH4 – 0.20129 кг/год, CO2 – 105.4401 кг/год, твердых веществ – 0.14378 кг/год 3)
[9, 15, 16].
На рис. 6 приведена общая динамика среднесуточной энергопроизводи- тельности ВЭС и СЭС при преобразовании гелиоэнергии в электрическую и выработки тепловой энергии по месяцам года.
В результате было определено, что при внедрении на острове 10 фотомо- дулей площадью 5.2 м2 для проведения лабораторных исследований можно по- лучить следующие результаты: сумма выработки электроэнергии за год соста- вит 1829.2 кВт∙ч, средняя месячная выработка – 60.4 кВт∙ч, среднесуточная –
5.0 кВт∙ч/сут. Экономия расхода топлива за месяц составит 24.16 кг у. т., сокращение вредных выбросов: SO2 – 0.502163 кг/мес., NOx – 0.270395 кг/мес., CO – 0.035116 кг/мес., CH4 – 0.073744 кг/мес., CO2 – 38.62791 кг/мес., твердых веществ – 0.052674 кг/мес.
Энергопроизводительность водонагревательной установки VSF-1 при на- греве воды до 44 °С составляет 914.52 м3/год, средняя выработка водонагрева- теля за месяц равна 76.21 м3.
Р и с . 6 . Динамика среднесуточной энергопроиз- водительности ВЭС и СЭС при выработке электро- энергии и теплой воды на о-ве Огурчинском по ме- сяцам: оранжевая линия – выработка ВЭ, синяя ли- ния – выработка СЭ, зеленая линия – переработка СЭ в тепловую.
F i g . 6. Dynamics of average daily energy productivity of wind and solar power plants during production of electricity and hot water on Ogurchinsky Island by months: orange line – wind energy production, blue line – solar energy production, green line – conversion of solar energy to heat
Для эффективного использования солнечно-энергетических технологиче- ских станций и установок в разное время года необходимо определить опти- мальный угол наклона солнечного преобразователя с учетом географического расположения места. Расчет оптимального угла наклона солнечного прием- ника с ориентацией восток – запад по месяцам для острова составляет: для зимы – 54° (−0.82930 рад); для лета – 24° (0.42418 рад), оптимальный угол наклона 39° (0.26664 рад) в течение года.
При разработке СЭС с автоматизированным слежением за солнечной ра- диацией в зависимости от угла наклона для о-ва Огурчинского можно исполь- зовать графики на рис. 5 [2–4, 7].
Рассчитаны ожидаемые показатели экологических потенциалов сокраще- ния вредных выбросов в окружающую среду при использовании солнечно-вет- ровых энергетических технологий в течение года для о-ва Огурчинского:
- СЭС: при годовой выработке электрической энергии 164.87 кВт·ч/(м2 · год), экономия расхода топлива составит 65.948 кг у. т/год, сокращение выбро- сов: SO2 – 1.3707 кг/год, NOx – 0.7381 кг/год, CO – 0.09585 кг/год, CH4 – 0.20129 кг/год, CO2 – 105.4401 кг/год, твердых веществ – 0.14378 кг/год [3, 4,
9, 16].
- ВН: при годовой выработке 102.65 кВт·ч/(м2·год) экономия расхода топ- лива составит 41.06 кг у. т. в год, сокращение выбросов: SO2 0.8534 кг/год, NOx 0.45953 кг/год, CO 0.0596 кг/год, CH4 0.1253 кг/год, CO2 65.64826 кг/год, твердых веществ – 0.08952 кг/год.
- ВЭС: при годовой выработке электроэнергии 19.45 кВт·ч/(м2·год) эко- номия расхода топлива составит 7.78 кг у. т. в год, сокращение выбросов: SO2 – 0.161706 кг/год, NOx – 0.087073 кг/год, CO – 0.011308 кг/год, CH4 – 0.023747 кг/год, CO2 – 12.43895 кг/год, твердых веществ – 0.016962 кг/год.
Результаты, полученные методами математической статистики уравнений регрессии (1)–(16), будут востребованы для внедрения солнечно-ветровых энергетических комплексов и электростанции в акватории южного сектора Каспийского моря.
Заключение
Определены энергоресурсы солнечной радиации, технические, экономи- ческие и экологические потенциалы с учетом гидрометеорологических и при- родно-климатических условий территории Хазарского заповедника в Каспий- ском море: продолжительности солнечного сияния, угла наклона к оптимально ориентированной поверхности приемника, часового угла движения солнеч- ного склонения, прямой, рассеянной радиации и альбедо; среднемесячной и годовой температуры наружного воздуха, времени работы и энергетических параметров солнечной энергоустановки площадью 10.4 м2 со среднегодовым оптимальным углом наклона 39°. Среднегодовая выработка электроэнергии, по нашим расчетам, составляет 10.03 кВт·ч/сут, суммарная выработка электро- энергии за год равна 3658.34 кВт·ч, экономия расхода органического топлива 1463.336 кг у. т/год, сокращение вредных выбросов в биосферу: SO2 –
30.41 кг/год; NOx – 16.38 кг/год; CO – 2.13 кг/год; CH4 – 4.47 кг/год; CO2 – 2339.64 кг/год; твердых веществ – 3.19 кг/год.
Стоимость одной СЭС энергопроизводительностью 10 кВт∙ч/сут составит 12 673.9 долл. США. Средняя нагрузка на лабораторное помещение при исполь- зовании необходимых электроприборов – 10.03 кВт∙ч/сут, стоимость 1 кВт/ч равна 0.055 долл. США без учета транспортных расходов на ввоз топлива по Каспийскому морю. По предварительным расчетам, срок окупаемости фотоэлектрической СЭС составит 5 лет 6 мес., рентабельность СЭС 6.76 %, чистая прибыль за 10 лет достигнет 2234.01 долл. США.
Полученные результаты подтверждают: использование солнечно-ветрового энергетического ресурсного потенциала будет приоритетным, перспективным, экологически чистым и экономически выгодным вариантом для электроснаб- жения, энергообеспечения и других районов побережья Каспийского моря.
Полученные результаты уравнения регрессии (1)–(16) будут полезными для составления проектно-сметной документации и ТЭО для внедрения сол- нечно-ветровых энергетических технологий в регионе.
Применение данных технологий позволит решить целый ряд задач по энергообеспечению Хазарского заповедника на о-ве Огурчинском. Использо- вание современных электронных технологий позволит получить более досто- верные результаты наблюдения за флорой, фауной, сохранит биологические ресурсы и биоразнообразие, позволит улучшить социально-бытовые условия жизнедеятельности работников и жителей острова и снизить антропогенную нагрузку на экосистему. Все это будет способствовать выполнению Нацио- нальной, Государственной энергетической, социально-экономической и эко- логической программ устойчивого развития Туркменистана, а также Париж- ского соглашения об изменении климата, решений 28-й сессии Конференции сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата (СОР28) и ряда дру- гих государственных и международных программ.
1. Berdymuhamedov G. M. Turkmenistan na puti dostizheniya Celey ustoychivogo raz- vitiya. Ashhabad : Turkmenskaya gosudarstvennaya izdatel'skaya sluzhba, 2018. 465 s.
2. Pendzhiev A. M., Astanov N. G., Pendzhiev M. A. Ispol'zovanie solnechno-energe- ticheskih ustanovok v zapovednyh zonah dlya uluchsheniya aridnoy ekosistemy Turk- menistana // Al'ternativnaya energetika i ekologiya (ISJAEE). 2011. № 12. S. 38–45. EDN ONWBGD.
3. Pendzhiev A. M. Ekoenergeticheskie resursy vozobnovlyaemyh istochnikov ener- gii. Moskva : Rusayns, 2023. 400 s. EDN WFQLSW.
4. Strebkov D. S., Pendzhiev A. M., Mamedsahadov B. D. Razvitie solnechnoy energe- tiki v Turkmenistane. Moskva : GNU VIESH, 2012. 498 s. EDN QMLYYR.
5. Penjiyev A. M. Wave energy resources of the Caspian Sea on the coast of Turkmenistan // Applied Solar Energy. 2022. Vol. 58, iss. 2. R. 306–310. https://doi.org/10.3103/s0003701x 22020141
6. Sputnikovyy monitoring Turkmenistana / A. G. Kostyanoy [i dr.]. Moskva : Sig- nal, 2011. 16 s. EDN RYWWYP.
7. Lebedev S. A. Model' sredney vysoty morskoy poverhnosti Kaspiyskogo morya // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2012. № 3. S. 224–234. EDN PBMRVN.
8. Nefedova L. V., Teterina N. V. Ocenka ekologicheskogo effekta na okruzhayuschuyu sredu pri organizacii energoobespecheniya zapovednikov s ispol'zovaniem VIE // Ecological Studies. Hazards. Soltions. 2010. T. 16. S. 48–52.
9. Pendzhiev A. M. Izmenenie klimata i vozmozhnosti umen'sheniya antropogennyh nagruzok. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 164 s.
10. Pendzhiev A. M., Astanov N. G. Teoreticheskie i metodicheskie raschety potencia- lov solnechno-energeticheskih resursov v Yugo-Vostochnyh Karakumah // Al'terna- tivnaya energetika i ekologiya. 2014. № 7. S. 65–86. EDN SCLGTX.
11. Pendzhiev A. M. Ekonomicheskaya ekspertiza effektivnosti innovacionnoy teh- nologii // Nauchnyy rezul'tat: Ekonomicheskie issledovaniya. 2017. № 4. S. 3–12. EDN XPCQRF. https://doi.org/10.18413/2409-1634-2017-3-1-3-15
12. Pendzhiev A. M. Osnovy GIS v razvitii vozobnovlyaemoy energetiki. LAP LAM- BERT Academic Publishing, 2017. 308 s.
13. Strebkov D. S. Osnovy solnechnoy energetiki. Moskva : Sam poligrafist, 2019. 326 s.
14. Resursy i effektivnost' ispol'zovaniya vozobnovlyaemyh istochnikov energii v Rossii / P. P. Bezrukih [i t. d.]. Sankt-Peterburg : Nauka, 2002. 314 s. EDN SWXTXJ.
15. Arbuzov Yu. D., Evdokimov V. M. Osnovy fotoelektrichestva. Moskva : GNU VI- ESH, 2012. 292 s.
16. Haritonov V. P. Osnovy vetroenergetiki. Moskva : GNU VIESH, 2010. 340 s. EDN QMLBTP.
17. Pendzhiev A. M. Ispol'zovanie vetroenergeticheskih ustanovok dlya vodoobespe- cheniya v Karakumah // Problemy osvoeniya pustyn'. 2019. № 3–4. S. 85–87.
18. Vasil'ev Yu. S., Hrisanov N. I. Ekologiya ispol'zovaniya vozobnovlyayuschih ener- goistochnikov. Leningrad : Izd-vo LGU, 1991. 343 s.
19. Strebkov D. S., Penjiyev A. M. Solar power plants with parabolic trough concentrators in the desert area of Karakum // Applied Solar Energy. 2019. Vol. 55, iss. 3. R. 195–206. https://doi.org/10.3103/S0003701X19030083
20. Penjiyev A. M. Thermal regime in combined cultivation constructions // Applied Solar Energy. 2018. Vol. 54, № 3. R. 196–204. https://doi.org/10.3103/S0003701X18030118
