Геоинформационные системы в развитии солнечной энергетики в пустынной зоне Каракумы

Введение. Туркменистан активно реализует политику позитивного нейтралитета в системе международных отношений и поддерживает решение мировых энергетических, экономических и экологических проблем.

Сегодня Туркменистан проводит всеобъемлющие реформы и преобразования, способные обеспечить устойчивый рост на долгие годы вперед. Президента Туркменистана Сердара Бердымухамедова выдвигаются новые задачи по устойчивому развитию экономики страны, которые основаны внедрения инновационных энергетических технологии в различные отрасли производства [1,2].

Основной задачей национальной энергетической программы Туркменистана, является решения ряда взаимосвязанных задач, включающих в себя: обеспечение энергетической безопасности и взаимодействия топливно-энергетического сектора с экономикой страны в интересах населения; повышение энергоэффективности за счет оптимизации мощностей энергогенерирующих структур, внедрение инновационных энергосберегающие технологий; экономическая оценка, содействие развитию сырьевой энергетической базы страны; поддержка научно-технического и организационного потенциала топливно-энергетического комплекса; увеличение экономической эффективности инновационных преобразований в сферах производства передачи энергии и использования формирование механизмов государственного регулирования, функционирования энергетического сектора [1-4].

В решении этих задач отводится использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и принят закон Туркменистана «О возобновляемых источниках энергии» [1-3,5].

Территорию Туркменистана на 80% занимает пустыня Каракумы, и значительное количество людей проживают в зоне децентрализованного энергоснабжения, поэтому развитие технологии и использование возобновляемых энергетических ресурсов является актуальной проблемой. Ресурсы ВИЭ по объему могут покрыть значительную часть потребления топливно-энергетических ресурсов и решить актуальные энергетические, экономические, экологические и социальные проблемы в Туркменистане [1,3-6].

Туркменскими ученными проделана большая научно-исследовательская и экспериментальная и практическая работа по использованию солнечной энергии и достигнуты значительные научные результаты. Вместе с тем, имеется недостаток основ научного обобщающего, систематизированного анализа энергетических потенциалов. Не достаточно выявлены регионы Туркменистана, обладающие значительными ресурсами энергопотенциалами для внедрения использования энергоэффективых инновационных технологий на основе солнечной энергии, не сформулированы рекомендаций по реализации разработок, развитию и освоению энергетических потенциалов с учетом инновационных методик. Не составлялись геоинформационные технологические карты и номограммы для составления технико-экономического обоснования (ТЭО) [6,8].

Географическая информационная система (ГИС) - новое направление, которая используется как инструмент технологических решений, позволяющий искать дополнительную информацию, анализировать в данном случае цифровую технологическую карту местности с учетом научных и инженерных знаний, технических, энергетических, экономических, экологических потенциалов для использования ВИЭ [5-7].

Полученные результаты научных исследовании восполнят этот пробел и будут способствовать масштабного развития возобновляемой энергетики, сбережению энергоресурсов, улучшению социально-экономических и бытовых условий пастбищных хозяйств, уменьшению антропогенной нагрузки на окружающую среду и изменение климата. На основе литературного обзора, научных исследований по использованию ВИЭ в Туркменистане определены цели и задачи научно-исследовательской работы.

Цель работы : Научно обосновать, систематизировать, рассчитать и исследовать солнечные энергетические потенциалы для разработки, создания, внедрения и использования энергетических технологий на основе солнечной энергии для устойчивого развития Туркменистана.

Материалы и методы исследования. Геоинформационные технологии в развитий солнечной энергетики развитие солнечной энергетики (СЭ) в настоящее время требует решения не только технологических задач, принятия законодательных актов, обеспечения государственной финансовой поддержки проектов, но и обоснования вопросов, связанных с анализом энергетических ресурсных потенциалов СЭ.

Накоплены обширные географические массивы данных, обеспечивающие фактическую основу для использования солнечных энергетических технологий в различных хозяйствах. При этом помимо проблемы верификации этих данных, анализа адекватности методов их получения, существуют сложности их визуального наглядного отображения в удобной для анализа форме. Важной задачей является их аккумулирование в виде баз данных, а также картографирование потенциала солнечной энергии для использования в различных регионов страны.

Помимо научного и методического значения, такие исследования имеют большую 10

практическую востребованность, поскольку базы данных геоинформационных систем (ГИС) должны стать важным инструментом анализа энергоэффективности практического использования солнечной энергии в различных регионах Туркменистана, в частности пустыни Каракумы и составления технико-экономического обоснования при подготовке проектно-сметных документации и управленческих решений использования с учетом технологических и экономических показателей [6-8].

Научные исследования разработки создания ГИС технологической карты. В ходе научных теоретических и экспериментальных исследований изучены солнечные энергетических технологий и установки. Научно обоснованы и теоретически систематизированы основы использования солнечных энергетических потенциалов на территории Туркменистана. Разработана, составлена геоинформационная солнечная энергетическая карта смотрите рисунок 1.

На основе ГИС карты исследованы энергетические характеристики солнечной теплицы, фотоэлектрических модулей при неравномерном освещении, солнечных установок с          осесимметричными

концентраторами,   разработана геоинформационная технологическая карта для размещения        солнечных водоподъемных установок в пустыне Каракумы.

Рисунок 1- Геоинформационая карта солнечно-энергетического баланса на территории Туркменистана (Вт·ч/cм2год)

Теоретические, экспериментальные расчетные результаты систематизированы по формализованной методике, определены ресурсные потенциалы и объем снижения антропогенных нагрузок на окружающую среду от использования солнечных энергетических установок при преобразованную в тепловую и электрическую энергию. При расчетах учтены природно-климатические условия: астрономическая продолжительность солнечного сияния в течение месяца; среднегодовое и месячное значение рабочей температуры солнечной установки и окружающей среды; доли рассеянного излучения, альбедо поверхности, угловых параметров прихода солнечной энергии на наклонную и нормально ориентированную поверхности в течение месяца; часового угла движения солнечного склонения и наклона поверхности к горизонту; удельных энергетических параметров солнечной установки. До настоящего времени такие расчеты с оценкой технических, экономических, потенциалов и экологических показателей в Туркменистане не проводились [5].

Расчитаны распределение валового и технического потенциалов солнечной энергии при преобразовании в тепловую энергию и электрическую в Центральных Каракумах по месяцам (кВт·ч/м2в мес.) гистограмма приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 -Распределение валового и технического потенциалов солнечной энергии от преобразования в тепловую энергию и электрическую в Центральных Каракумах по месяцам на 1 метр квадратный

Разработка, создание и исследование энергетических характеристик гелиотеплицы для выращивания тропических и субтропических культур. Среди известных работ нет ни одной разработки, которую можно было бы непосредственно использовать для расчета теплотехнических характеристик гелиотеплиц траншейного типа. Рассмотрены физические характеристики, составлена математическая модель теплотехнических характеристик в классической форме для создания микроклимата в гелиотеплице.

Расчет теплового баланса гелиотеплицы траншейного типа представлен как система уравнений теплового баланса для солнечного сооружения воздушного пространства, для промежутка времени dτ c учетом дополнительного обогрева в кВт·ч, которую можно записать в виде:

dQ об + dQ ^Σ р + dQ в + dQ т + dQ ст + dQ п + dQ а + dQ р = 0,                  (1)

где dQ об - тепловыделение системы отопления; dQ р - поток тепла солнечной радиации, поступающей в солнечное сооружение; dQ в.т - количество тепла, отдаваемое окружающей среде в результате воздухообмена и теплопередачи через ограждения; dQ ст = dQ* ст + dQ^о ст - поток тепла в стенку; dQ п = dQ п ^*+ dQ п ^о - поток тепла в почву, dQ^* п (ст) , dQ п (ст) ^о - поток тепла на освещенную и неосвещенную части стенки и почвы; dQ а - поток тепла, аккумулируемый в воздухе; dQ р - поток тепла на растительный покров (при условии, если теплица с растениями). Единицы измерения кВт∙ч на площадь. Уравнение теплового баланса поверхности почвы, стенки записывается аналогичным образом, как уравнение теплового баланса для почвы, стены освещенной и неосвещенной ее части.

В результате математических преобразований уравнения (1), температурный режим гелиотеплицы во временном суммарном тепловом потоке имеет вид [6]:

е в = Cl (3)exp[ -h(T-3^]d8-)    —,                     (2)

о                          ^i=\ ‘^

Проведены исследования сложной и упрощенной математической модели теплотехнических параметров траншейной гелиотеплицы. Полученные результаты расчета показали, что сложная и упрощенная математическая модель адекватно воспроизводят результаты эксперимента, с точностью: сложная модель – 12,35%; упрощенная – 23,11%.

Аналогично составлена и рассмотрена математическая модель тепломассобмена и определения температуры листовой поверхности растения в гелиотеплице . Физическая модель теплотехнических процессов, происходящих в гелиотеплице траншейного типа, принимаемая при расчетах, подробно показана в монографии.

Составленная геоинформационная карта средней изотермы наружного воздуха и гелиотеплицы траншейного типа в январе месяце (отмечены красным цветом), аналогично составлена карта для июля месяца приведена на рисунке 3 а,б. Результаты внедрения и ввода в действие подтверждены актами, протоколами исследования, справками.

а)

Рисунок 3 а,б. - Карта средней изотермы наружного воздуха и гелиотеплицы

б)

траншейного типа в январе (а) и июле (б) месяце по регионам Туркменистана

Результаты и анализ исследования. На основе научно обоснованных систематизированных энергетических ресурсов, потенциалов и внедренных энергетических технологий на основе ВИЭ для Туркменистана получены следующие результаты:

Солнечная энергопотенциалы : Валовые ресурсы в кВт·ч/(м²·год) в регионах равны: Северном - 1757,4; Юго-восточном - 1895,9; Центральных Каракумах -1844,6; Южном -1725,0; Западном -1685,4.

Технические потенциалы преобразования в тепловую энергию и электрическую энергию в кВт·ч/(м²·год) в соответственно по регионам: Северном - 1227,587 и 244.84; Юговосточном - 1296,78 и 248.55; Центральных Каракумах - 1256,44 и 242.44; Южном - 1234,46 и 225.29; Западном -1177,12 и 222,6.

Экономические потенциалы от преобразования в тепловую и электрическую энергию составляют в кг у.т./год: Северной - 490,9 и 97,9; Юго-восточной- 518,7 и 99,44; Центральных Каракумах - 502,6 и 96,98; Южной - 493,8 и 90,14; Западной - 470,9 и 89,1.

Экологические потенциалы : сокращение выбросов различных вредных веществ в окружающую среду при использовании солнечной фотоэлектрической станции составит в Центральных Каракумах при годовой выработке электроэнергии с 1 м² - 242,44 кВт⋅ч/год, экономии расхода топлива - 96,98 кг у.т./год, сокращение выбросов составит, кг/год: диоксида серы SO 2 – 2,01; оксида азота NOx– 1,08; оксида углерода CO- 0,1401; метана CH 4 – 0,296; двуокиси углерода CO 2 – 155,08; твердых веществ – 0,211175; при преобразовании в тепловую энергию с 1 м² – годовом производстве 1256,44 кВт⋅ч/год, экономия расхода топлива - 502,60 кг у.т./год, сокращение выбросов составит, кг/год: SO 2 – 10,44; NOx–5,624;

CO – 0,726; CH 4 – 1,53; CO 2 – 803,68; твердых веществ – 1,094.

Заключение. На основе анализа природно-климатических особенностей Туркменистана, водных ресурсов, подземных вод и дебита колодцев пустыни составлена геоинформационая технологическая карта размещения солнечной фотоэлектрической водоподъемной установки по мощности вырабатываемой энергии в зависимости от глубины колодцев на пастбищных территориях Туркменистана. Использование картографического материала позволила подсчитать энергетические ресурсы, сократить выбросы парникового газа и снизит расходы органического топлива для развития 40 млн. га пастбищных районов страны.

Созданная и введенная в действие солнечная фотоэлектрическая водоподъемная установка (СФВУ) в Центральных Каракумах на экспериментальной базе Национального института пустынь, растительного и животного мира в год экономит 12,0 т органического топлива, приносит прибыль 3830 долл. США при этом сокращает выбросы СО 2 на 38,4 т.

Учитывая приоритеты и перспективы использования энергетических технологии на основе ВИЭ в Туркменистане по механизму чистого развития (МЧР) и возможности сокращения выбросов парниковых газов в ТЭК, определены области развития солнечной энергетики и показатели ее энергоэффективности. При создании завода в Туркменистане по производству СФЭУ с годовой мощностью 20 МВт и годовым выпуском продукции, равным 14 млн. долл. США, ожидаемый экономический эффект от внедрения продукции завода составит 12 млн. долл. США в год, экономия органического топлива – 3554,4 т у.т. в год. При годовом поступлении солнечной радиации не менее 1200 кВт ч/м2 и эффективном использовании этой энергии можно будет обеспечить до 25% теплопотребления в системах отопления, до 50% - в системах горячего водоснабжения и до 75% в системах кондиционирования воздуха, сократить расход органического топлива и обеспечить экономию топливно-энергетических ресурсов 2364 тыс. т у.т. или 52.6%, в том числе в сельской местности 1110.6 тыс. т у. т. или 61.5% .