Использование солнечной энергии для обеспечения 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’OuestЭкономическое 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 Африкевыполнить анализ современного состояния и опыта использования солнечных фотоэлектрических установок в западно-африканских странах для водоснабжения сельскохозяйственных районовпроизвести расчет поступления солнечного излучения на различные поверхности: неподвижную и следящие по одной и двум осям, и обосновать выбор лучшей системы слежениявыбрать схему систем водоснабжения с учетом условий её примененияпровести анализ энергетических характеристик и выявить основные взаимосвязи элементов солнечных водоподъемных установокразработать 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 поверхностьобоснована 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 приемлемымив 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 годаэкономический расчет показывает, что полная стоимость установки составляет 39 334 $ США против 77 000 $ США аналогичной установки, уже построенной в Мали.