Технико-экономическое обоснование организации уличного освещения в сельской местности Туркменистана

Введение . В своём выступлении С. Бердымухамедов на 26-й сессии Конференции сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата (СОР26), подчеркнул, что задача современной энергетики ХХI века состоит в том, чтобы обеспечить необходимый увеличивающийся рост энергопотребления и максимально снизить экологическое воздействие энергетического производства с использованием существующих технологий. На основе рекомендаций Конвенции и своих обязательств по Парижскому соглашению, Туркменистан предпринимает практические шаги в области изменения климата:

• -    за счёт внедрения современных технологий во всех сферах экономики снижаются объёмы выбросов парниковых газов;

• -    приняты Национальная стратегия об изменении климата, Национальная стратегия по развитию возобновляемой энергетики до 2030 года и новый Закон Туркменистана «О возобновляемых источниках энергии»;

• -      ежегодно в Туркменистане высаживаются миллионы деревьев. Так, в 2020 году

  «зелёный пояс» Туркменистана пополнили 25 миллионов саженцев, а в 2022 году плани руется посадка ещё 30 миллионов;

32                  Агротехника и энергообеспечение. – 2022. – № 4 (37)

• -    подготовлен определённый на национальном уровне вклад (ОНУВ/NDC) Туркменистана в рамках выполнения обязательств по Парижскому соглашению по климату [1,2].

В докладе Президента также было отмечено, что Туркменистан планирует добиться в среднесрочной перспективе нулевого роста выбросов парниковых газов, начиная с 2030 года, а в долгосрочной перспективе - ежегодного значительного их снижения. Этих показателей наша страна рассчитывает достичь как за счёт собственных финансовых ресурсов, так и при технической и финансовой поддержке со стороны международных организаций и финансовых институтов[2].

Инновация энергетических технологий играет определяющую роль в достижении целей по снижению выбросов парниковых газов, при этом обеспечивая выполнение целей экономического развития и энергетической безопасности. В конечном счете, коммерческое применение испытанных, экономически эффективных технологий является именно тем, что позволит трансформировать энергетическую систему [3-6].

Современные энергетические сети наружного освещения являются крупным энергоемким объектом. Рационально рассчитать расход энергетических ресурсов на обеспечение энергоэффективной работы систем освещения считается актуальной задачей агропромышленного комплекса (АПК) .

Солнечная энергетика – один из самых безопасных видов альтернативной энергетики, её возможности неограниченны и использование системы автономного освещения в объектах АПК энергетически эффективно.

При этом необходимо учесть общие требования к автономным уличным энергоустановкам и фонарям:

• -    автономность для снижения затрат в инфраструктуру и обслуживание;

• -    работоспособность в местных климатических условиях;

• -    оптимальное соотношение цены и качества, обеспечивающее меньший срок окупаемости;

• -    длительный срок службы;

• -    эстетичный внешний вид, минимально вмешивающийся в окружающую обстановку, что имеет особое значение в природно-климатических условиях Туркменистана;

• -    экологичность и безвредность для окружающей среды [5-7].

Таким образом, вышеназванным требованиям и условиям Туркменистана соответствуют именно солнечные фотоэлектрические установки.

Цель и задачи исследования . Дать технико-экономическое обоснование энергообеспечения (уличного освещения) в сельской местности Туркменистана, провести статистический анализ теоретического и практического включения ламп освещения и их энергоэффективности.

Включение в структуру энергоснабжения солнечной электростанции позволяют максимально использовать дневной приход солнечной энергии для покрытия дневного максимума энергопотребления.

Анализ климатических условий в местности для уличного освещения с использование фотомодулей

Для получения адекватных результатов необходимо обозначить условия и географические границы возможного применения анализируемых фотоэлектрических установок.

Фотоэлектрические установки, в том числе аккумуляторы, чувствительны к перепадам температуры. Для определения целесообразности использования солнечных фотомодулей в Туркменистане нужно знать природно-климатические условия: продолжительность солнечного сияния, ресурсы поступления солнечного излучения, валовый и технический потенциал солнечной энергии, температурно-влажностный режим, количество пасмурных дней в году [3,5].

Природно-климатические особенности - Туркменистан расположен между 35^о 08‘ и 42^о 48′ северной широты и 52^о 27′ и 66^о 41′ восточной долготы, севернее гор Копетдага, между Каспийским морем на западе и рекой Амударья на востоке. Протяженность с запада на восток – 1110 км, с юга на север – 650 км. Площадь государства – 491,2 тыс. кв. км.

Климат Туркменистана резко континентальный, за исключением прибрежной зоны Каспийского моря и гор. Средняя годовая температура воздуха по всей территории положительна и изменяется на равнинной части Туркменистана от 11-13 градусов (по Цельсию) на севере до 15-18 оС на юго-востоке. Самый холодный месяц – январь, средняя температура его изменяется от –6 оС на северо-востоке Туркменистана до +3 оС на юго-востоке и +5 оС на крайнем западе. Средняя температура наиболее жаркого месяца – июля – равна +27,0 - +32,4 оС. Абсолютный максимум достигает +50,1 оС в Центральных и Юговосточных Каракумах, несколько уменьшаясь на севере Туркменистана, на побережье Каспийского моря и в горных районах.

Наибольшее количество осадков по территории наблюдается в горах и в предгорьях – в среднем до 250 мм, наименьшее – над заливом 38 Кара-Богаз-Гол (менее 100 мм) и в низменных Каракумах до 150 мм [3, 5, 7 ].

Годовой приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе составляет 146-154 ккал/см2, или 1699,4-1793,0 кВт∙ч/м2, годовые суммы рассеянной радиации при безоблачном небе составляют 32-39 ккал/см2, или 372,3-453,9 кВт∙ч/м2. Незначительная нижняя облачность снижает поступление прямой солнечной радиации всего на 27-35% от возможной и в то же время увеличивает рассеянную радиацию на 25-40%. В результате при реальных условиях облачности годовой приход суммарной радиации уменьшается по сравнению с возможным на 13-19% и колеблется в пределах 145163 ккал/см2, или 1687,7-1897,2 кВт∙ч/м2 [5,7].

Средняя продолжительность солнечного сияния, темное время суток использование электроэнергии в часах для уличного освещения для Туркменистана приведены на рисунке 1.

Продолжительность солнечного сияния, часов в месяц

Темные время суток в месяц, часов

llUhndll

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

113 120 146 195 282 331 358 352 293 232 160 107

631 552 598 525 462 389 386 392 427 512 560 637

Рисунок 1 - Средняя продолжительность солнечного сияния и темное время в часах по месяцам для уличного освещения для Туркменистана

Статический анализ . В физико-математическом анализе совместное решение интегрально-дифференциальных уравнений является очень сложным не только в решении, но и в постановке задач, так как описание процесса при помощи дифференциальных уравнений требует от исследователя большую математическую подготовку и глубокие знания физики. В работе рассматривается наиболее популярный анализ математической статистики [5,9].

В качестве методики был использован комплекс теоретических расчетов (продолжительность солнечного сияния, количество часов темного и светлого времени, восход, заход солнца в течение года) и фактическое время включения и выключения уличных фонарей, перечисленные данные приведённые на рисунке 2.

Теоретическое время включение фактическое время включения

Месяцы

Рисунок 2 - Распределение теоретических расчетов, время включения (х) и практическое включение уличных фонарей (у) по месяцам в течение года

Для наиболее точного метода определения тесной взаимосвязи двух случайных величин Х и Y использовали нахождение коэффициента корреляции (R), в данном случае, теснота распределения теоретических расчетов времени включения (х) и практического включения уличных фонарей (у) по месяцам в течение года. Для определения шкалы отношения интервалов и формы взаимосвязи использовали коэффициент корреляции Бравэ-Пирсона (r) [5,14,15].

В результате получили коэффициент корреляции Бравэ - Пирсона, гху = 0,884. Среднее значение теоретических расчетов времени включения освещения уличных фонарей Х = 18,91 ч, среднее фактическое время включения Y = 18,88 ч.

В математическом выражении корреляционных коэффициентов а и в использовали параметры уравнения и коэффициенты регрессии В_у/х = 0,725 и B_x/y=1,08. Коэффициент коррелируемых переменных прямых и обратных параметров а 1 =5,16 и а 2 = -1,42. Для оценки качества уравнения регрессии вычислено остаточное среднее квадратичное отклонение о_х/у = 0,485 и о_у/х= 1,73. Относительная погрешность уравнения 6 _у/х = 9,17%; 5 _х/у= 2,56%. Среднее квадратное отклонение теоретических расчетов от фактического равна о_у = 1,04, о_х = 1,26.

Полученные корреляционные коэффициенты а и в описывают уравнение регрессии, с помощью которой можно прогнозировать ожидаемые:

Освещение, включение вечером теоретическое : Х (час) = -1,42 + 1,08*Y;

Освещение, включение вечером фактическое: Y(час) = 5,16 + 0,725*X.

Тесную взаимосвязь общей вариации теоретического результата расчета с фактическим показателем определяет коэффициент детерминации D, который равен 78,2%. Следовательно, только 78,2% взаимосвязи солнечного сияния влияет на освещение уличных фонарей. Остальная часть, то есть 21,8%, объясняется влиянием других неучтённых факторов.

Полученная регрессивная зависимость дает возможность прогнозировать ожидаемые значения включения, теоретическое и фактическое время включения уличных фонарей в часах в течение года, так же она показывает потерю энергоэффективности 6, 039 часов.

Технико-экономическое обоснование проекта

Для составления технико-экономического обоснования (ТЭО) уличного освещения длиной 14,33 км в сельской местности Туркменистана использованы следующие характеристики объекта с единицами измерения, приведенными в таблице 1.

Таблица 1 - Основные характеристики и условные единицы измерения исследуемого объекта для экономического анализа

Характеристика объекта	Условные единицы измерении
категория дороги	I-б
строительная длина дороги	14,330 км
ширина земляного полотна	25,5 м
число полос движения автомобилей	4
ширина полосы автомобильного движения	3,75 м
ширина проезжей части дороги	2х7,5
ширина полосы движения автомобиля	3,75 м
основная расчетная скорость движения автомобиля	110 км/ч

Получена проектно-сметная документация для введения в эксплуатацию наружного уличного освещения в сельской местности на расстоянии 14,33 км, получены следующие расчетные данные со стоимостью работ [10-13]:

• •    общая смета 3064743 долл. США;

• •    смета строительная 715824 долл. США, туда входят установка и выполнение следующих работ: промежуточных опор; сборных фундаментов; подвеска проводов; заземления; засыпка котлованов и траншей; планировка откосов и полотна насыпи.

• •    смета монтажных работ – 2129078 долл. США; входят следующие работы: сварочные металлические; установка светильников; затягивание проводов; приложение трубы; присоединение и зажим жил проводов; установка осветительных щитков; защита кабеля металлическими желобами; комплексная подстанция; проложение кабеля в траншее.

• •    стоимость оборудования – 219842 долл. США: плавкие предохранители; автоматические включатели и выключатели; ограничители перенапряжения; силовой трансформатор; коробка соединительных клемм.

• •    комплексная трансформаторная подстанция.

• •    оплата труда - 85168,5 долл. США: рабочих; тракториста; крановщика; автопогрузчиков; бульдозериста.

Общая проектно-сметная себестоимость

Общая стоимость наружного освещения при использовании солнечных фотоэлектрических модулей составляет: 3907077 долл. США. Расходы строительных работ составляют: 751667 долл. США. Из них: смета монтажная 2180000 долл. США, на оборудование 871742 долл. США: на светодиодные светильники: SVETECO-96 – 500 долл. США; солнечные фотоэлектрические модули марки ТСМ-180 – 550 долл. США; аккумуляторы марки RA12-100DG – 166,667 долл. США; на оплату труда 103669 долл. США[10-13,15].

Предварительные расчеты: для организации освещения на участке дороги протяжённостью один километр потребуется 50 светильников с промежутком опор 40 метров. Средняя цена одного светильника, без учёта дополнительного оборудования, так как модем, фотореле и другие устройства составляет 1216,67 долл. США. Стоимость светильников на 1 км дороги составит 60833,3 долл. США, а стоимость оборудования на всю протяжённость трассы составляет 871742 долл. США.

В итоге, по предварительной проектно-сметной документации и расчетам, применение солнечных фотоэлектрических модулей для дорожного освещения обходится дороже на 843000 долл. США, чем традиционным оборудованием. В первую очередь, это обусловлено применением инновационных технологий и, соответственно, высокой стоимостью оборудования и устройств [13-15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование солнечных фотоэлектрических модулей в современном мире из-за энергетического и экологического кризисов активно применяется во многих странах мира. Данная статья нацелена обосновать экономические, энергетические и экологические возможности использования солнечных фотомодулей в организации уличного освещения в городах, селах Туркменистана.

Для проведения расчета проведён природно-климатический анализ условий сел, городов, а также определено количество восходов и заходов солнца и количество солнечных дней. Сделан анализ оборудования, устройств, подходящих для нашего региона.

Расчет затрат производился на основе существующих смет по объекту уличного освещения на расстоянии 14,33 км. По итогам технико-экономического обоснования проект с применением солнечных фотомодулей дороже на 843000 долл. США, чем традиционные проекты. Это обусловлено в первую очередь применением инновационных технологий и соответственно высокой стоимостью оборудования и устройств. Разница в 843000 долл. США будет компенсирована за счёт отсутствия затрат на электроэнергию и использование более экономичных светодиодных светильников, которые уменьшат расход электроэнергии в 7,5 раз или на 86,25%.

Другим существенным способом является осуществление автоматизированной системы управления уличным освещением за счет использования бесплатных энергетических ресурсов солнечной энергии. Но при этом следует учесть, что появляются дополнительные расходы на создание специальных бригад для очистки поверхности солнечных фотомодулей, установку специализированного программного обеспечения, 37

создание центра мониторинга и сбора информации.