УДК 620.97 Д.А. Кинжебаева, А.С. Кинжебаева , А.Н. Идрисов

УДК 620.97
Д.А. Кинжебаева, А.С. Кинжебаева1, А.Н. Идрисов1
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В КАЗАХСТАНЕ. ПРИМЕНЕНИЕ
СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
(г. Алматы, КазНПУ имени Абая, 1 - г. Астана, ТОО «Astana Solar»)
Аннотация. В статье рассматривается проблема применения альтернативных
источников энергии взамен традиционных источников топлива. Показано влияние использования
традиционных источников энергии на экологию, в частности при сжигании угля, нефти и
природного газа. Проведен краткий анализ принципа работы солнечных батарей. Приведены
основные преимущества использования солнечных панелей, одна из которых - высокая
надёжность. ТОО «Astana Solar» выпускают – фотоэлектрические модули двух типов, готовые
солнечные электростанции различной мощности. Приведена задача по вычислению количества
модулей необходимых для обогревания 3-х комнатной квартиры.
Ключевые
слова:
альтернативная
энергия,
солнечная
энергия,
экология,
монокристаллический кремний, Astana Solar, солнечные батареи.
Сейчас, как никогда остро встал вопрос, о том, каким будет будущее планеты в
энергетическом плане. Разрабатываются гигантские энергетические программы,
осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных
затрат [1].
В мире все больше ученых инженеров занимаются поисками новых,
нетрадиционных источников которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по
снабжению человечества энергией.
Отрасли энергетики разнообразны и их можно так охарактеризовать по видам
используемых энергоносителей: ядерная, угольная, газовая, мазутная, гидро, ветро,
геотермальная, биомассовая, волновая и приливная, градиент-температурная, солнечная.
Можно сопоставлять эти отрасли по нескольким показателям: экономическим,
экологическим, ресурсным, а также по показателям безопасности и некоторым другим.
Исходя из этого сравнения, можно прийти к выводу, что солнечная энергетика, как
долгосрочная перспектива, имеет одно из первостепенных значений.
Таким образом, использование солнечной энергии является одним из весьма
перспективных направлений энергетики. Экологичность, возобновимость ресурсов,
отсутствие затрат на капремонт фотомодулей как минимум в течение первых 30 лет
эксплуатации, в перспективе - снижение стоимости относительно традиционных методов
получения электроэнергии - всё это является положительными сторонами солнечной
энергетики.
Влияние на экологию. В атмосфере Земли имеются некоторые газы, которые
действуют как «парник», заманивая в ловушку лучи Солнца, отражающиеся от
поверхности Земли. Как известно, без этого механизма, на Земле было бы слишком
холодно для поддержания жизни. С началом индустриальной революции в атмосферу
стало поступать огромное количество парниковых газов, особенно диоксид углерода
(СO2). Увеличение объемов парниковых газов повышает температуру атмосферных слоев
и приводит к глобальному потеплению [2].
При сжигании угля, нефти и природного газа увеличивается концентрация этих
газов в атмосфере. В течение более ста лет поступление парниковых газов в атмосферу,
вызванное развитием промышленности, транспорта и энергопроизводства, происходило
быстрее, чем их удаление из атмосферы с помощью естественных природных процессов.
Солнечная энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете.
Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют
ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны,
развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению
на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть
преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.
Солнечные панели. Под солнечной панелью понимают набор, соединённых между
собой фотомодулей.
Солнечная батарея - несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей
(фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную
энергию в постоянный электрический ток.
Отдельный фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) - это полупроводниковый
прибор, преобразующий энергию фотонов (энергию света) в электрическую энергию.
Преобразование энергии происходит на уровне атомного строения тела. Наиболее
распространённый материал для изготовления ФЭП это кремний.
Каждый отдельный ФЭП способен вырабатывать напряжение сравнительно малой
величины (около 0,5 В), поэтому отдельные элементы собирают в модули, а модули в
панели.
В зависимости от задачи энергоснабжения используются различные схемы
коммутации солнечных панелей. Например, для зарядки мобильного телефона одна, для
работы автономного освещения другая, для работы электросети здания и работы с
«зелёным тарифом» третья и т.д. («зелёный тариф» - это специальный тариф, по которому
государством закупается электрическая энергия, произведенная на объектах
электроэнергетики, которые используют альтернативные источники энергии).
В результате преобразования энергии света солнечная панель на своём выходе
генерирует постоянное электрическое напряжение величиной, как правило, 12 или 24
вольта.
Хотя внутренние электронные схемы многих потребителей электроэнергии
(телевизор, компьютер, музыкальный центр и другие) работают на постоянном
напряжении (и для работы имеют встроенные блоки питания), всё же на сегодняшний
день, в «обычной» электрической сети переменное напряжение, и все приборы
адаптированы для питания от сети с переменным напряжением 220 В для однофазной
сети, либо 380 В для трёхфазной сети. Поэтому одних солнечных панелей, с постоянным
напряжением, для полноценного обеспечения электроэнергией не достаточно.
Дополнительно необходим «инвертор» - электронное устройство, которое
преобразовывает постоянное напряжение в переменное.
Солнечная панель вырабатывает электроэнергию при попадании на её поверхность
света, то есть, в тёмное время суток солнечная панель «отдыхает». Но, как правило, нам
необходима электроэнергия «круглые» сутки, поэтому в систему солнечных панелей
вводиться блок аккумуляторных батарей. По своему назначению он выполняет ту же
функцию, что и аккумулятор в автомобиле или «батарейка» в мобильном телефоне,
накапливает электроэнергию в момент её излишка, и отдает в момент её нехватки.
Для отслеживания и управления всеми процессами работы солнечных панелей
используется электронное устройство – контроллер.
Для уменьшения капитальных вложений в систему на солнечных панелях,
необходимо использовать электрооборудование с высокой энергоэффективностью.
При выборе бытовых электроприборов необходимо обращать особое внимание на
класс энергоэффективности. Например, для освещения можно использовать светодиодные
лампы, которые в 10 раз эффективнее ламп накаливания, и более чем в 2 раза эффективнее
энергосберегающих люминесцентных ламп.
Максимальную эффективность солнечные панели имеют при «падении» солнечных
лучей перпендикулярно к поверхности модуля. Так как солнце все время «перемещается»
по небу, для эффективного использования панели возможно применение устройств
слежения и поворота панели к солнцу.
Сколько солнечной энергии попадает на землю? Солнце излучает огромное
количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это
количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт
в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну
миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов
(1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее
атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700
квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.
Основные преимущества солнечных панелей [4].
Высокая надёжность. Конструкция на солнечных панелях не имеет механических,
движущихся частей, вследствие чего имеет высокий запас надёжности, что
подтверждается использованием в местах, где ремонт практически не возможен –
космических системах, и пр.
Минимальные эксплуатационные расходы. После монтажа солнечные панели, не
требуют большого внимания, регламентных работ и сервисного обслуживания. Это
позволяет использовать панели в труднодоступных местах, где обслуживание либо дорого,
либо проводить нельзя.
Экологическая чистота. При работе солнечных панелей нет никаких вредных
выбросов и отходов. Солнечные панели работаю бесшумно.
Срок эксплуатации. На сегодняшний день, срок службы солнечных панелей
доведён до 20-25 лет.
Простота установки. Монтаж системы достаточно прост. Изменение выходной
мощности достигается простым добавлением или демонтажем модулей. Другими словами,
есть возможность постепенного увеличения мощности по мере необходимости и наличия
финансовой возможности.
Солнечная энергетика Казахстана. Первая очередь промышленной солнечной
электростанции «Отар» введена в эксплуатацию в Казахстане. Запуск объекта состоялся в
январе 2013 года в Жамбылской области. Пока что мощность первой очереди будущего
солнечного парка составляет 504 кВт.
Солнечная электростанция «Отар» состоит из 51 солнечных установок, каждая из
которых имеет 42 панели, которые могут производить 235 Вт. Срок эксплуатации
солнечных модулей около 25 лет. В ясные дни объект способен обеспечивать
электроэнергией приблизительно двести домохозяйств, а после выхода на проектную
мощность их количество увеличится до 2500.
К международной выставке EXPO-2017 в Акмолинской области появится новая
солнечная электростанция, мощностью 100 МВт.
Astana Solar. ТОО «Astana Solar» - дочернее предприятие «Национальной атомной
компании «Казатомпром» - мирового лидера по добыче урана, реализующего проект
«Создание производства фотоэлектрических модулей на основе казахстанского кремния
«KazPV» [4].
Актуальность проекта возрастает на фоне реализации концепции перехода
Казахстана к «зеленой экономике» и реализации программы «Энергосбережение – 2020».
ТОО «Astana Solar» предлагает широкий спектр производимой продукции –
от фотоэлектрических
модулей двух
типов
до
готовых солнечных
электростанций различной мощности.
Модель KZ PV 230 M60: 24 В; А 7,5; 220-225-230-235-240 Вт; Поликристаллический
6’’ (156х156 мм); 6 колонн х 10 ячеек; 1,649х992х40 мм; 19,5 кг.
Модель KZ PV 270 M72: 24 В; А 7,5; 250-255-260-265-270-275-280 Вт;
Поликристаллический 6’’ (156х156 мм); 6 колонн х 12 ячеек; 1,967х992х40 мм; 28 кг.
Завод «Astana Solar» производит солнечные электростанции мощностью: 1 кВт; 3,2
кВт; 5 кВт.
Производимая продукция завода «Astana Solar».
На рисунке 1 показаны выпускаемые заводом фотоэлектрические модули.
Рисунок 1 – Фотоэлектрические модули завода «Astana Solar»
Расчет количества модулей на солнечных батареях для 3-х комнатной квартиры.
На рисунке 2 показана система применения фотоэлектрического модуля для
преобразования солнечной энергии в тепловую.
Для определения необходимого количества энергии, были посмотрены ежемесячные
расходы (ежемесячные платежи) за электроэнергию. Это в среднем по 240 кВт в месяц, т.е.
средне суточное потребление 8 кВт ч и при пиковом потреблении до 15 кВт ч в сутки.
Таким образом, чтобы отключиться от электросети, необходима система с мгновенной
потребляемой мощностью в длительном режиме не превышающая 5 кВт [5].
Рисунок 2 – Система применения фотоэлектрического модуля
Технические характеристики фотоэлектрического модуля – модель KZT M230 FG:
Номинальная мощность, Вт – 230;
Напряжение системы, В – 12;
Ток на максимальной мощности (Umppp), A – 3,49;
Напряжение на максимальной мощности, В – 17,2;
Отклонение входной мощности ± 5%.
Материал: поликристаллический кремний.
Коэффициент инсоляции – 5.
Среднесуточная выработка энергии одним модулем:
230 Вт  5  1150 Вт  ч.
(1)
Для всего расчёта в 8 кВт ч понадобится:
8000 Вт  ч / 1150 Вт  ч  7 модулей.
(2)
Если же объект будет использоваться круглый год, то при расчете следует исходить
из самых наихудших коэффициентов инсоляции.
Рассчитаем необходимое количество аккумуляторных батарей. Разряд не должен
превышать 50%.
8000 Вт  ч  4000 Вт  ч  12000 Вт  ч.
(3)
Для батареи в 12 В общая емкость составит: 12000 Вт ч / 12 В = 1000 А ч. Исходя из
этого выбираю количество необходимых батарей.
1000 А  ч / 60 А  ч  17 батарей.
(4)
Заключение
1. Альтернативная энергетика - совокупность перспективных способов получения,
передачи и использования энергии, которые распространены, не так широко, как
традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования и, как
правило, низком риске причинения вреда окружающей среде. Использование
альтернативных источников энергии в настоящее время активно применяется во многих
странах мира.
2. В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Однако для
производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы:
собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества.
Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до
занимающих крыши автомобилей и зданий.
3. Проведен расчёт задачи для 3-х комнатной квартиры на основе использования
солнечных батарей.
Список литературы
1. Ахмедов Р. Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии / Ахмедов Р.
Б. - М. : Знание, 1988. - 46 с.
2. Бринкворт Б. Солнечная энергия для человека / пер. с англ. В.Н. Оглоблев / под
ред. и предисл. Б. Н. Тарнижевского. – М.: Мир, 1976. - 291 с.
3. Володин В.Е., Хазановский П.И. "Энергия, век двадцать первый". М.: Знание,
1998.
4. www.astanasolar.kz.
5. Кинжебаева Д.А и др. Лабораторный стенд для определения коэффициента
усиления  по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Вестник
КазНПУ им. Абая. №2. Серия Физико-математические науки. - Алматы., 2014. - С.123-127.
Аңдатпа. Мақалада дәстүрлі отын көздерінің орнына баламалық энергия көздерін
пайдалану мәселесі қарастырылады. Дәстүрлі отын көздерін пайдалану экологияға әсері
көрсетіледі: көмірді, мұнайды және табиғи газды жандыру. Күн батареяларының жұмыс істеу
принципінің қысқаша талдауы жасалды. Күн панельдерін пайдалудың негізгі артықшылықтары,
олардың ішінде – жоғары сенімділігі көрсетілген. ЖШС «Astana Solar» екі түрлі фотоэлектрлік
модульдерді, әр түрлі қуаттылығы бар дайын күн электр станцияларды өндіреді. Үш бөлмелі
пәтерді жылыту үшін модульдердің санын анықтау есебі берілген.
Түйінді сөздер: баламалық энергетика, күн энергиясы, экология, монокристалдық кремний,
Astana Solar, күн батареясы.
Abstract. In the article the problem of the use of alternative energy sources in replacement
traditional sources of fuel is given. The effect of the use of traditional energy sources on the environment,
in particular the burning of coal, oil and natural gas is shown. The brief analysis of the principle of solar
panels is given. The main advantages of using solar panels, one of which - high reliability is disguised.
JSC "Astana Solar" produces two types of photovoltaic modules, solar power ready various capacities.
The task of calculating the number of modules required to heat a 3-room apartment is solved.
Keywords: alternative Energy, solar energy, ecology, monocrystalline silicon, Astana solar, solar
panels.