автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Использование гидравлической и других возобновляющихся источников энергии в сельскохозяйственных районах развивающихся стран

а < * ' • На правах р\ копией

г: } Г' •

Курукуласурия Махинда

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ И ДРУГИХ ВОЗОБНОВЛЯЮЩИХСЯ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ в СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАЙОНАХ РАЗВИВАЮЩИХСЯ СТРАН

Специальность 05.14.10 — гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации

>

на соискание ученой степени доктора технических наук

Москиа- 1996

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор Алексеев В.В. доктор техн. наук, профессор Виссарионов В.И. доктор техн. наук, профессор Животовский Б. А.

Ведущая организация

АО "Институт Гидропроект"

Защита состоится 1996 г. в ч^ мин на заседании дис-

сертационного совета Д.053.11.04 в Московском государственном строительном университете по адресу: Спартаковская ул., дом 2, ауд. 212

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Боровков В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для развивающихся стран, находящихся в сложной экономической и экологической ситуации из-за низкого уровня промышленного и сельскохозяйственного производства, быстрого роста народонаселения и связанных с этим потерь природных ресурсов, противопоказан путь крупного энергетического строительства, основанного на ископаемых органических топливах и приводящего к дополнительной нагрузке на окружающую среду за счет техногенных загрязнений.

Поэтому будущее энергетики развивающихся стран с их незначительными ресурсами коммерческих энергоносителей, с населением, живущим преимущественно в сельскохозяйственных районах со средней плотностью — 15-20 чел/км2, связано с электростанциями небольшой мощности, от 10 кВт и более, работающими на местную электроэнергетическую систему и использующими возобновляющиеся источники энергии. Наиболее подходящими для этих целей являются микрогидроэлектростанции на малых реках и ручьях, солнечные электростанции на фотоэлектрических преобразователях, ветроэнергетические установки и установки для переработки искусственно выращиваемой биомассы и отходов сельскохозяйственного производства в электрическую и тепловую энергию.

Поскольку возобновляющиеся источники энергии, в отличие от традиционных, характеризуются меньшей плотностью потока энергии и большей временнбй неравномерностью, наиболее предпочтительными являются энергоустановки, работающие на разных энергоисточниках, но по единому режимному графику, объединенные в энергокомплексе. Это позволяет увеличить число часов использования мощности, повысить надежность снабжения электроэнергией, уменьшить суммарные капиталовложения в строительство, снизить себестоимость электроэнергии. В разработку основ расчета режимов совместно работающих гидравлической, солнечной и ветровой электростанций большой вклад внесли российские ученые Н.В.Арефьев, Ю.С.Васильев, В.И.Виссарионов, В.В.Елистратов и другие.

В качестве базового производителя электроэнергии целесообразно использовать микроГЭС, характеризуемую минимальными удельными капиталовложениями, наибольшей обеспеченностью энергоресурсом в течение суток и более длительных периодов времени.

В отличие от крупных электростанций микроэнергетические комплексы вносят минимальные изменения в окружающую среду, а в некоторых отношениях способствуют сохранению природных систем, и поэтому их строительство, требующее неизмеримо меньших капиталовложений, предпочтительнее строительства крупных электроэнергетических объектов, хотя по удельным экономическим показателям микроэнергокомплексы уступают мощным ТЭС, АЭС и ГЭС.

Первоочередная задача электрификации сельскохозяйственных районов с неразвитой инфраструктурой состоит в обеспечении сельских жителей электроэнергией для домашнего хозяйства и общинного потребления. Потребности сельских жителей в электроэнергии, зависящие от природно-климатических условий, уклада и уровня жизни, определяются необходимостью улучшения санитарно-бытовых условий (освещение, холодильник, электроплита) и получения информационных услуг (радио, телевизор). На уровне общины или деревни электроэнергия требуется для привода общественных водоподъемных установок, энергообеспечения кустарного производства, перерабатывающих мастерских, а также для общественной электроплиты и культовых нужд.

Электрификация сельскохозяйственных районов позволит не только облегчить бытовые и улучшить санитарные условия, обеспечить более длительное хранение продуктов и лекарств, уменьшить затраты труда и времени женщин и детей на заготовку топлива и воды, дать населению доступ к информации и к начальному образованию, но и решить проблему сохранения леса за счет снижения вырубки деревьев на дрова, что имеет не только региональное, но и общемировое значение.

На первоначальном этапе электрификации сельских общин электроэнергию предлагается получать от микроэнергокомплексов мощностью несколько киловатт или несколько десятков киловатт, включающих микрогидроэлектростанцию, солнечную микроэлектростанцию с фотопреобразователями и ветроэнергетическую установку. Особенности поступления первичных источников энергии в течение суток и в течение года, отсутствие на ГЭС регулирующего водохранилища, позволяющее максимально удешевить электростанцию, отсутствие механического регулятора мощности генерирующих установок по той же причине ставят довольно сложные вопросы определения режимов работы каждой из станций, определения установленной мощности каждой из станций, обеспечивающей минимальные капиталовложения в комплекс при заданных удельных капиталовложениях

в гидравлическую, фотоэлектрическую и ветровую установки, определения емкости аккумуляторной батареи, резервной и дублирующей мощностей.

Решению этих вопросов посвящена значительная часть диссертации. В итоге можно заключить, что разработанная концепция микроэнергокомплекса, комплектуемого из микроэнергоустановок заводского (импортного или отечественного) изготовления отвечает поставленным требованиям дешевизны оборудования, экологической чистоты и простоты обслуживания при эксплуатации, надежности снабжения электроэнергией; после соответствующей конструктивной проработки микроэнергокомплексы могут найти широкое применение для электрификации сельскохозяйственных районов развивающихся стран.

Как показывает опыт практической работы, крайне важным для обеспечения устойчивого развития общины является участие коренного населения в усилиях по электрификации деревни. Разъяснительную работу среди населения необходимо вести на научной основе, с учетом психологических, социальных, хозяйственных, религиозных особенностей общины, и для этого необходима серьезная методическая подготовка.

Важным фактором является и подготовка национальных инженерных кадров, способных разрабатывать и реализовывать планы электрификации сельскохозяйственных районов с учетом всех перечисленных выше специфических обстоятельств. Имеющиеся в развитых странах программы подготовки инженеров-строителей составлены в расчете на наличие развитой строительной инфраструктуры, и поэтому требуются специальные программы, максимально адаптированные к условиям работы в слаборазвитых странах.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание методологических основ энергоэкономических расчетов электрификации сельскохозяйственных общин развивающихся стран.

Для достижения поставленной цели решены следующие технические задачи:

1. Разработаны методики:

—определения потребности в электроэнергии сельскохозяйственной общины;

—-формирования перспективных графиков нагрузки местной электроэнергетической системы;

— выбора наиболее целесообразных для использования первичных источников энергии;

— формирования базы данных поступления первичных энергоресурсов;

— оптимизирования параметров гидравлической, солнечной и ветровой установок, входящих в состав микроэнергокомплекса;

—обоснования экономической эффективности микроэнергокомплекса.

2. Выполнены анализы:

— суточных режимов работы микроэнергокомплекса с определением емкости аккумуляторной батареи;

— длительных режимов работы микроэнергокомплекса с определением дублирующей и резервной мощностей.

3. Разработан проект учебного плана подготовки инженеров-строителей, ориентированных на реализацию проектов комплексного развития сельскохозяйственных районов развивающихся стран.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

1. В обосновании приоритетности первоочередной необходимости повышения уровня энергообеспеченности местного населения сельскохозяйственных районов развивающихся стран путем электрификации в качестве генеральной линии действий для повышения уровня жизни населения, решения социальных, экологических, экономических и других проблем.

2. В обосновании приоритетности использования возобновляющихся источников энергии при создании местных электроэнергетических систем для повышения надежности электроснабжения, улучшения экологической ситуации, сохранения лесов, предотвращения эрозии почв.

3. В обосновании целесообразности комплексного использования гидравлической, солнечной и ветровой энергии для создания микроэнергокомплек-сов, характеризуемых конструктивной простотой и невысокой стоимостью поставки, простотой обслуживания в эксплуатации, надежностью производства электроэнергии, приспособленностью к конкретным запросам потребителей электроэнергии, мобильностью.

4. В создании методик предварительного проектирования и окончательного оптимизированного расчета мощности микроэнергокомплекса и мощностей входящих в него установок, мощности аккумуляторной батареи и резервной и дублирующей мощностей, а также расчета режимов работы микроэнергокомплекса.

5. В разработке методических основ повышения образовательного уровня местного населения при реализации планов комплексного развития сельскохозяйственных районов развивающихся стран; разработке методических основ подготовки инженерных кадров, в том числе из местного населения, ориентированных на работу по реализации планов комплексного развития сельскохозяйственных районов развивающихся стран.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации рекомендации по электрификации сельскохозяйственных районов развивающихся стран, являющиеся основой целостной системы взглядов на пути повышения уровня жизни сельского населения, могут быть использованы местными органами, правительствами стран и международными организациями при планировании политики оказания финансовой и экономической помощи развивающимся странам.

Разработанная в диссертации методика экспертной оценки и опроса местного населения может использоваться на практике при определении потребностей в электроэнергии конкретной сельской общины и последующем определении мощности электрогенерирующих установок.

Разработанные в диссертации концепции и методики расчета микроэнерго-комплекса могут использоваться при конструктивной разработке и разработке правил технической эксплуатации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Концепция повышения энергообеспеченности сельскохозяйственных районов развивающихся стран путем их электрификации с помощью мелких автономных энергоустановок с комплексным использованием возобновляющихся источников энергии.

2. Методика экспертной оценки потребности сельской общины в электроэнергии и понятия "типового" дома и "типовой" деревни.

3. Концепция микроэнергокомплекса в составе микрогидроэлектростанции, солнечной фотоэлектрической станции, ветровой энергетической установки и аккумуляторной батареи, генерирующего электроэнергию преимущественно постоянного тока, и питания бытовых потребителей от индивидуальных аккумуляторных батарей.

4. Методика и результаты экономических расчетов микроэнергокомплекса, учитывающая основные экономические показатели рыночной экономики.

5. Методика и результаты оптимизационных расчетов микроэнергокомплекса, учитывающая интенсивность внутригодового изменения первичных энергоресурсов, характер изменения полезной нагрузки, различные удельные стоимости преобразования энергии воды, солнца и ветра.

6. Методика и результаты расчетов режимов работы микроэнергокомплекса и определения резервной и дублирующей мощностей.

7. Предложения методического характера о введении понятия "местная энер-

гетика", о расширении понятия "гидроэнергетика", об уточнения понятия "гидроэнергетическая установка", о введении терминов для обозначения гидроэнергетических установок различных типов. 8. Содержание учебного плана подготовки инженера-строителя, ориентированного для работы по реализации планов комплексного развития сельскохозяйственных районов развивающихся стран. Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации были доложены и обсуждены на национальных (Шри-Ланки) и международных симпозиумах и конференциях: национальном симпозиуме "Принципы использования первичных энергоресурсов в Шри-Ланке" (Коломбо, 1980); Международном симпозиуме "Энергия в 1990-х годах и в последующее время" (Коломбо, 1982); национальной конференции "Использование и охрана природных ресурсов Шри-Ланки" (Коломбо, 1983); национальном симпозиуме "Энергия для развивающихся стран" (Коломбо, 1985); международном симпозиуме "Комплексное развитие сельскохозяйственных районов развивающихся стран" (Нью-Йорк, 1988); международной конференции "Коммунальное развитие сельских местностей" (Бангкок, 1993); международной конференции "Экология и природные ресурсы" (Найроби, 1994); национальном симпозиуме "Рациональное использование водных и других природных ресурсов" (Киншаса, 1995); юбилейной научно-технической конференции Московского государственного строительного университета в 1996 году и на научных семинарах кафедры использования водной энергии МГСУ в апреле и в октябре 1996 года.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в следующих 22 публикациях в технической литературе, изданных в г. Коломбо, Шри-Ланка; г. Киншаса, Заир (по линии ЮНИСЕФ):

1. Kurukulasuriya М. Prevention of accidents in construction sites of Sri Lanka. (Предотвращение несчастных случаев на строительстве) Engineer, vol. 7, №4, Sri Lanka, Dec. 1979, p. 11.

2. Kurukulasuriya M. Possibility of harressing hydropower in Sri Lanka. (Использование гидравлических ресурсов Шри-Ланки) Seminar towards an energy policy for Sri Lanka. Sri Lanka, July 1980.

3. Kurukulasuriya M. Harnessing of wave power (Использование волновой энергии). Symposium on energy in the 1990's and beyond, Sri Lanka.

4. Kurukulasuriya M. Harnessing of hydropower (Сохранение природных ресурсов Шри-Ланки), Seminar in harnessing and conservation of natural resources of Sri Lanka, April 1983.

5. Kurukulasuriya M. Water resources of USSR. (Водные ресурсы СССР) Isura, Sri Lanka, October 1980.

6. Kurukulasuriya M. Development, engineer and people (Развитие, население и инженерное строительство), Isura, Sri Lanka, vol. 4, №1, Jan. 1983.

7. Kurukulasuriya M. Let us harness wave power to meet part of the demard in energy of Sri Lanka (Использование энергии волн для энергетических нужд Шри-Ланки), Consultant, Sri Lanka, 1985.

8. Kurukulasuriya M. What contribution could we make towards the international water supply and sanitation decade (Международная декада водопользования и водоотведения), Consultant, Sri Lanka, 1985.

9. Kurukulasuriya M. Hydropower development on transbasin diversion to south eastern dry zone (Использование гидравлических ресурсов в юго-восточном районе Шри-Ланки), Engineer, Sri Lanka, Sept 1985.

10. Kurukulasuriya M. New scenario of rural development in harmony with dynamics of change (Сельское развитие следует динамике изменения), Engineer, Sri Lanka, 1991.

11. Kurukulasuriya M. et al, Module de l'éducation sur l'hygiene, l'assainissement et l'environnement (Образование в области охраны окружающей среды в Заире), Zaire, UNICEF, April 1993.

12. Kurukulasuriya M. Construction des puits manuels par les communaute's beneficiares (Строительство колодцев в Заире), Zaire, UNICEF, Dec. 1993.

13. Kurukulasuriya M. et al, Programme d'urgenc (Программа ускоренного строительства в Северной провинции в Заире), Haut-Zaire 1993/94, UNICEF, Juin 1993.

14. Kurukulasuriya M. Fiche technique pour Captage des eaux de plue du Zaire (Использование дождевых вод в Заире),UNICEF, Aôut, 1983.

15. Kurukulasuriya M. Assainissons notre habitat pour lutter contre la malaria (Меры для борьбы против комаров), UNICEF, Juin, 1995,

16. Kurukulasuriya M. et al, Module d'application integre du secteur de l'eau, assainissement et environnement (Практические меры по использованию водных ресурсов и охране окружающей среды в Заире), Zaire, UNICEF, Juillet, 1994.

17. Kurukulasuriya M. Filtration lente sur sable pour les communaute's rurales du Zaire (Филирование питьевой воды в Заире с использованием песка), UNICEF, Mai 1994.

18. Kurukulasuriya M. Education â l'hygiene individuelle et du milieu pour l'amélioration de la santé (Образование по элементарной гигиене для улучшения здоровья общины), Zaire, UNICEF, Juillet 1995.

19. Kurukulasiiriya M. et al, Hydraulics and Hydrology (Гидравлика и Гидрология — курс лекций — I), Open University, TCC-Block I, Sri Lanka, 1984.

20. Kurukulasuriya M. et al, Hydraulics and Hydrology (Гидравлика и Гидрология — курс лекций — II), Open University, TCC-Block II, Sri Lanka, 1984.

21. Kurukulasuriya M. et al, Hydraulics and Hydrology (Гидравлика и Гидрология — курс лекций — III), Open University, TCC-Block III, Sri Lanka, 1984.

22. Kurukulasuriya M. et al., Fluids and Hydrology — Fluid Mechanics (Гидрология и механика жидкости, Издание открытого университета в Шри-Ланке), Open University, TCD 1303, TMD 1302, Sri Lanka, 1984.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, одиннадцати глав, выводов, пяти приложений и содержит 246 страниц текста, включающих 46 таблиц, 98 страниц со 104 иллюстрациями, список литературы на 33 страницах, включающих 388 источников, из них 179 на русском и 209 на иностранных языках, 28 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, а также новизна полученных результатов. Показана практическая ценность разработанных рекомендаций. Приведены сведения об апробации работы, публикациях по теме исследований, структуре и объеме диссертации.

В первой главе рассмотрены социально-экономические проблемы развивающихся стран и возможности их решения путем развития электроэнергетики. Отмечается, что в настоящее время существует значительная неравномерность уровня жизни и развития стран, что во многом определяет конфликтный характер мирового политического климата. В классификации, принятой Банком Мирового Развития (World Bank), основным показателем, характеризующим уровень жизни страны, принят годовой валовой национальный продукт, приходящийся на душу населения. По этому показателю все страны могут быть классифицированы на две группы и четыре категории. Развитые страны составляют первую группу и имеют указанный доход более 8626 долл. США. Развивающиеся страны составляют другую группу, они подразделяются на три категории; быстрораз-вивающиеся страны имеют душевой доход от 2786 до 8625 долл. Средне-

развивающиеся страны характеризуются доходом от 696 до 2785 долл. Группу слаборазвитых стран составляют страны с годовым валовым национальным продуктом менее 695 дом. на душу населения.

В 1970 г. по данным ООН к категории слаборазвитых стран были отнесены 24 государства, а в 1995 г. их число возросло до 48 с населением более 550 млн. чел., из которых свыше 80% проживает в сельских условиях. Слаборазвитые страны являются самыми слабыми партнерами среди членов международного сообщества, у них не имеется средств для создания инфраструктуры, необходимой для развития национальной экономики и повышения уровня жизни населения. Эти страны являются постоянными источниками развития эпидемических заболеваний, вызванных низким уровнем жизни, отсутствием элементарных знаний и средств к их предупреждению; они часто становятся очагами международных конфликтов, вызванных борьбой за власть и за влияние на распределение скудных собственных государственных средств и фондов, выделяемых международным сообществом в рамках ООН и других международных организаций. Более 80% беженцев на Земле (свыше 17 млн. чел.) приходится на эти страны.

Слаборазвитые страны особенно уязвимы к воздействию природных катастроф (наводнений, засух, землетрясений и др.), а также весьма неустойчивы как государственные образования, раздираемые клановыми, этническими, религиозными и другими противоречиями, вызывающими локальные, государственные и межгосударственные военные конфликты. А неразвитая структура транспортных и энергетических коммуникаций не позволяет оказывать эффективную и быструю помощь этим странам со стороны международных организаций.

Для решения проблем слаборазвитых стран международное сообщество в рамках ООН организовало Международную конференцию по торговле и развитию — UNCTAD — организацию, которая выполняет роль координатора всех программ развития для слаборазвитых стран. UNCTAD с 1980 г. ежегодно разрабатывает отчетные доклады с предложениями по решению проблем слаборазвитых стран. В сентябре 1990 г. в Париже состоялась Вторая конференция UNCTAD, которая отметила ухудшение и обострение социально-экономических и экологических проблем развивающихся стран. В апреле 1996 г. под эгидой нескольких международных организаций (FAO, UNESCO, UNICEF, ILO, UNDCP, DTCD) прошла еще одна конференция по проблемам

слаборазвитых стран. По итогам этой конференции были сформулированы следующие основные социальные и экологические проблемы, препятствующие прогрессу слаборазвитых стран, среди которых: Социальные:

— Увеличение числа эпидемических заболеваний, в основном в результате употребления нечистой воды.

— Отсутствие финансовых институтов для развития сельского населения.

— Отсутствие средств связи и экономической и энергетической базы для просвещения сельского населения.

— Низкий уровень общего развития населения и элементарного образования в области гигиены и природопользования.

— Отсутствие литературы для элементарного образования.

— Значительные затраты времени на заготовку дров и приготовление пищи (свыше 6 ч в день).

Экологические:

1. Нерациональное использование натуральных природных ресурсов и в результате этого их деградация.

2. Использование биомассы свыше 80% населения (дрова, отходы сельскохозяйственного производства) для приготовления пищи, что приводит к уничтожению растительности, загрязнению воды, воздуха и т.д.

3. Нехватка питьевой воды и низкий уровень культуры использования природных водных источников (антисанитария).

4. Загрязнение и заражение окружающей среды из-за нерешения проблем канализации и утилизации отходов в сельской местности.

В работе количественно подтверждена прямая зависимость уровня жизни от энергопотребления и потребления питьевой воды.

Для характеристики уровня энергетического развития используют показатель удельного энергопотребления, выражаемый в килограммах "условного топлива" (чаще всего в килограммах "эквивалентного угля"), потребленного в год на душу населения. Для развитых стран годовое потребление энергии составляет в среднем 6890 кг угля, для развивающихся стран на порядок меньше — 760 кг угля, а для слаборазвитых стран еще на порядок меньше — 60 кг угля (рис. 1).

т- >. 0.1

0.01

1 10 100 1000 10000 Энергопотребление на душу населения, кг у т /чел год

Рис. 1 Связь между удельным энергопотреблением и уровнем жизни в развивающихся и развитых странах

По данным Института Мировых Ресурсов, практически более 50% населения Земли не использует ни один из коммерческих видов энергии или электричество. В развивающихся и особенно в слаборазвитых странах более 250 млн. человек не имеют освещения в своих домах. 75% населения земного шара потребляет менее 30% всей производимой энергии, причем из этой доли на коммерческие виды энергии приходится только 26%, а остальные дает сжигание биомассы (леса, кустарников, отходов сельскохозяйственного производства и др.).

Для категории слаборазвитых стран характерно также то, что основная часть энергии расходуется на бытовые нужды. Так, в Непале 95,1% энергии идет на бытовые нужды; 94,5% которой обеспечивается сжиганием биомассы; в Сомали на бытовые нужды расходуется 87,8% всей потребляемой энергии, 89,6% которой обеспечивается сжиганием биомассы. Под бытовыми нуждами подразумеваются практически полностью затраты энергаи на приготовление пищи. Низкий уровень этой энергии (сжигание дров) соответствует большим трудозатратам и большому числу жителей страны, вынужденных заниматься добычей и приготовлением пищи.

I -■+14

III - ""II

_ 0 развивающиеся страны

♦

* развитые страны

♦

□ ♦ < ► Л > » «

1 3 м 4 ♦

С ростом энергообеспеченности страны появляется возможность механизировать сельскохозяйственное производство, высвободить время сельских жителей для других занятий и вообще создать условия для сокращен™ численности сельского населения.

Во многих отношениях уровень благосостояния страны определяется развитием систем питьевого водоснабжения и водоотведения (канализации). По данным ООН, на 1991 г. обеспеченность питьевой водой в развитых странах достигает возможного максимума — 99% населения потребляют воду из систем питьевого водоснабжения. В слаборазвитых странах лишь 51% населения обеспечиваются питьевой водой из систем водоснабжения, отвечающих санитарным стандартам.

Основным выводом, сделанным по материалам первой главы, является вывод о том, что потребление энергии и питьевой воды на душу населения не только характеризует уровень развития любого государства, но и указывает на основной путь повышения уровня жизни, решения большинства социальных и экологических проблем в развивающихся странах. Это решение может быть достигнуто только посредством развития их энергетической базы, в основном, путем электрификации, в том числе создания местных электроэнергетических систем на базе возобновляющихся источников энергии.

По результатам общего анализа, выполненного в первой главе, сформулированы направление и содержание диссертационной работы. Отмечается, что рассмотренные проблемы весьма специфичны и характерны именно для слаборазвитых стран; для обучения специалистов практически нет специальной литературы. Проектировщик, инженер, эксперт, готовящийся для работы в слаборазвитых странах, должен полностью ощутить своеобразие психологии сельского населения, находящегося на низком уровне развития; найти простейшие инженерные способы решения технических проблем, отчего эти проблемы не становятся сами по себе проще из-за отсутствия финансирования, ресурсов, материалов, очень низкой квалификации рабочих. Поэтому решение технических проблем для сельских районов слаборазвитых стран требует такой же серьезной научной подготовки и такой же высокой квалификации руководителя, как и решение "по-настоящему" сложных научных проблем в развитых странах.

Многолетний практический опыт работы в слаборазвитых странах позволил наглядно и точно сформулировать проблемы научно-методического обоснования направлений инженерной деятельности в описанных условиях, обучения и подготовки населения, разработки конкретных технических решений, в частности, в

области электроэнергетики как материальной базы для последующего социально-экономического развития отсталых территорий и улучшения санитарно-экологических условий жизни местного населения.

Перечисленные вопросы и составили содержание настоящей диссертационной работы.

На рис. 2 и 3 содержание работы подробно проиллюстрировано схемой, включающей следующие иерархические уровни: постановка генеральной задачи, средства решения генеральной задачи, сбор исходной информации, формулировка частных технических задач, метод!.! решения технических задач, формулировка основных результатов разработок и анализа.

Работа состоит из четырех основных частей. В первой части (главы 1 и 2) на основе краткого анализа уровня жизни в слаборазвитых странах сделан вывод о первоочередной необходимости создания местных электроэнергетических систем как базы для последующего экономического и социального развития сельской общины и определена в первом приближении потребность в электроэнергии для такой общины.

Вторая часть (главы 3-7) посвящена анализу энергетической ситуации в мире и в развивающихся странах, выявлению наиболее целесообразных к использованию в развивающихся странах первичных источников энергии, определению их ресурсов и установлению эффективности комплексного использования возобновляющихся энергоисточников (гидроэнергии, энергии солнца и ветра) в составе микроэнергокомплекса.

В третьей части (главы 8-10) решены технические задачи энергоэкоиомиче-ских расчетов микроэнергокомплекса и определены наиболее целесообразные его параметры и режимы работы.

В четвертой части (глава 11) разработаны основы целевой подготовки в высших учебных заведениях инженера-строителя, планирующего осуществлять свою деятельность в направлении создания инфраструктуры в сельскохозяйственных регионах развивающихся стран с целью повышения уровня жизни местного населения.

Вторая глава посвящена разработке методов оценки потребностей в электроэнергии для обеспечения первоочередных, самых насущных нужд жителей деревень.

Развивающиеся страны нуждаются не столько в разовой или периодической гуманитарной помощи, сколько в создании объективных условий для возможности самообеспечения, простейшей инфраструктуры и условий для хозяйственного развития повсеместно, поскольку неравномерность экономического развития

Постановка задачи

Средства решения

Исходная информация

Социально-демографическая

Повышение уровня жизни населения сельскохозяйственных районов развивающихся стран

Создание местных электро- энергетических систем на базе возобновляющихся источников энергии

Физико-

географическая

Климати- Экологи-

ческая ческая

Экономическая

Электротехническое оборудование потребителей

Производ ител и

ГЭС

Био- Другие

СЭС ВЭУ масса ВИЗ и

аккумул.

Технические задачи

Проведение опроса жителей общины

Подготовка исходных

данных для разработки проекта и обоснования его экономической эффективности

Обеспечение инвестиций и поставок оборудования

Реализация проекта микроэнергокомплекса по этапам:

- разработка проекта

- строительство

- эксплуатация

Методы решения

Основные результаты

Применение разработанных методик опроса

Повышение уровня жизни населения, образовательного уровня

Применение разработанных методик обработки исходной информации

Улучшение экологического положения в регионе

Поиск экономической помощи, кредита

Обеспечение

самоокупаемости проекта

Привлечение специалистов и фирм:

- проектировщиков

- строителей

- наладчиков

Подготовка специалистов по эксплуатации

Получение электроэнергии необходимого качества в количестве, определенном графиком нагрузки потребителей

н

Рис. 2 Практическое использование результатов диссертационной работы при создании местных энергетических систем

расчетов электрификации сельскохозяйственных общин

Разработка методик и автоматизация энергоэкономических расчетов при проектировании микроэнергокомплексов и анализе режимов их работы

Демографические, статистические, социологические и экономические данные по Публикации в технич. литературе Данные натурных наблюдений Данные по стоимости знергетич. оборудования Финансово-экономич. показатели страны Режимы нагрузки и | поступления возобновляют энергоисточников Учебные планы МГСУ по специальностям 21.03 21.04

с/х районам развивающихся стран составу общины и инфраструктуре внутри суточные среднесуточные

Разработка методических основ: Анализ режимов МЭК Создание учебного плана подготовки гидротехников для развив стран

определения потребности в эл.энергии с/х общины формирования перспективных графиков нагрузки выбора используемых источников энергии формиров. базы данных поступления эн.ресурсов оптимиз. параметров ГЭС.СЭС и ВЭУ обоснования экономич. эффективности суточных с определением емкости АБ длительных с определением дублирования

Методы экспертной оценки и социологического опроса жителей общины Статистический анализ исходной информации Анализ мировой энергетич. ситуации по публикациям Статистический анализ исходной информации Методы линейного программирования Методы рыночной экономики Математич моделиров суточных режимов Методы математич статистики Совершенствов планов с учетом практической деятельности

Получение первичной исходной информации для проектирования микроэнерго-комплекса Получение первичной исходной информации для прогнозирое режимов нагрузки Решение о выборе первичных источников энергии Получение исходных данных для оптимизации параметров и режимов МЭК Состав и х-ки генерирующ мощностей МЭК Обосновывающие материалы для инвесторов Решение о необход, емкости аккумулятора Решение о назначении дублирующей и резервной мощностях в проекте МЭК Создание методической базы для совершенств подготовки инженеров гидротехников

Рис. 3 Солепжанир лисг.ептаттионнпй плбпты (гурмп гппткртгтшгрт пиг

регионов характеризуется сосредоточенностью промышленных обг>ектов на одних территориях и отсутствием инфраструктуры во всех остальных районах.

При планировании развития электроэнергетики сельскохозяйственных районов важным является определение потребности в электроэнергии каждого дома, каждой деревни, что, в свою очередь, определяется социальными нуждами населения.

Общемировые тенденции развития общества позволяют создать расчетную модель для определения потребностей в электроэнергии как единичного потребителя, так и населенного пункта в целом, то есть массового потребителя. Для этого введены понятая "типового" дома и "типовой" деревни.

В среднем крупные деревни состоят из 100-150 домов, и из них примерно 2/3 желают получать электроэнергию. Потребность семьи в энергии зависит от множества факторов, но основным является уровень дохода.

Исходя из личных наблюдений, экспертных оценок и статистических данных за типовой дом принят жилищно-хозяйственный объект, предназначенный для проживания одной семьи в 6-8 человек с потребностью в электроэнергии на освещение и радио.

Под типовой деревней следует понимать объединение типовых домов в совокупности с общественными, государственными, кооперативными, общинными и прочими объектами, определяющими общественную, производственную и социальную сферы.

В целях сохранения окружающей среды и экономии временных затрат на поиски дров в деревнях предусматривается устанавливать общие кухни.

Для решения вопроса о выборе определенной энергоустановки необходимо предварительно провести исследование с целью определения количества энергии, применяемой для различных нужд; местонахождения и платежеспособности потенциальных потребителей энергии. В последующем решается собственно вопрос о выборе типа электрогенерирующией установки. Имея в виду предлагаемое ниже комплексное использование возобновляющихся источников энергии в составе так называемого микроэнергокомплекса, следует отметить, что пока практика электрификации сельскохозяйственных районов развивающихся стран страдает отсутствием подобного комплексного подхода.

Для определения потребности в электроэнергии для типовой деревни надо провести опрос жителей и исследование инфраструктуры данной местности. Это

позволяет определить мощность энергоустановки, а также периоды потребления энергии. Результаты опросов очень важны для комплексного использования возобновляющихся источников энергии и для прогнозирования развития деревни в целом.

Многолетний опыт практической работы позволил разработать методику предпроектного опроса и обработки полученной информации, которая подробно изложена в диссертации.

Суммарная расчетная мощность для потребителей типовой деревни включает: мощности, необходимые для типовых домов; мощности производственных установок; мощности установок в социальной сфере; мощности на освещение и другие общественные нужды; мощности, учитывающие увеличение потребления и перспективное развитие на длительный срок.

На следующем этапе проектирования строятся графики нагрузки местной энергосистемы, из которых наибольшее значение имеют: график суточной нагрузки; график годовых среднесуточных мощностей; график годового хода максимальных суточных нагрузок.

При этом учитывается, что речь идет об изолированном микроэнергоком-плексе (МЭК), на который возлагается задача выработки электроэнергии в необходимом количестве и надлежащего качества. Графики нагрузки дают исходную информацию для дальнейшего определения величин генерирующих мощностей МЭК с учетом их дублирования и необходимого резерва.

Имея в виду ограниченность в средствах, определяется минимальный уровень энергообеспечения с введением ограничений по режиму потребления электроэнергии. Это позволяет достичь две цели: 1 — ограничить максимальную мощность МЭК; 2 — выровнять неравномерный по своей природе суточный график нагрузки.

В третьей главе подробно рассмотрены экологические проблемы мировой энергетики и энергетики развивающихся стран, в значительной мере определяющие выбор пути электрификации сельскохозяйственных районов.

Экологическая ситуация в мире связана, с одной стороны, с экологическим кризисом в индустриальных странах, вызванным большим потоком техногенных загрязнений окружающей среды, в том числе и от потребителей и производителей энергии, с другой, — с потерей в развивающихся странах основных природных ресурсов в результате эрозии и засоления почв, опустынивания земель, загрязнения

поверхностных и подземных вод, сведения лесов. Перечисленные признаки выхода экосистем из равновесия обусловлены дисбалансом между быстрым ростом народонаселения и увеличившейся потребностью в производстве продуктов питания и усилившимся в связи с этим давлением на окружающую среду.

Роль энергетики в этой ситуации и ее эффективность рассмотрены с точки зрения порождаемых ею процессов в различных сферах — экономической, экологической, социальной. Приведены примеры негативного влияния традиционной энергетики на среду обитания на локальном, региональном и глобальном уровнях и перечисляются мероприятия и экономические санкции, направленные на снижение этого влияния.

Выполнен анализ экологической ситуации в развивающихся странах Африки, Азии и Латинской Америки. Показана средообразующая роль лесов и почв в различных регионах и выявлены основные причины деградации природных ресурсов. Подчеркнута связь того или иного состояния природно-антропогенных систем с формой хозяйства и их взаимное влияние друг на друга, с плотностью населения. Даны примеры деградации экосистем в зависимости от нарушения технологии ведения традиционного хозяйства. Сделан вывод о том, что в условиях развивающихся стран, не обладающих болшими энергетическими ресурсами, с их сложной экологической обстановкой, с населением, проживающим преимущественно в сельской местности, наиболее перспективным направлением является развитие местной электроэнергетики на возобновляющихся источниках энергии.

Экологически чистые энергоустановки не только обеспечивают энергией сельских жителей, но, способствуя уменьшению вырубки леса на топливо, снижают нагрузку на окружающую среду и останавливают цепь разрушительных процессов, вызываемых сведением лесов.

Четвертая глава посвящена, в основном, анализу режимов поступления энергии ветра и энергии солнечной инсоляции в течение суток и более длительных промежутков времени.

Возобновляющиеся энергетические ресурсы, такие, как гидравлические, фотоэлектрические и ветровые, обеспечивают дешевую эксплуатацию энергоустановок, но они непостоянны во времени, имеют существенную внутрисуточную и внутрисезонную изменчивость. Это усложняет расчеты по выбору параметров таких энергетических установок и определению режима их работы при анализе экономической эффективности.

Разработана методика оценки возобновляющихся энергетических ресурсов с точки зрения дальнейшего использования при выполнении оптимизационных расчетов по обоснованию параметров микроэнергокомплекса. В качестве примера взяты условия Шри-Ланки, расположенной в тропической зоне и имеющей субэкваториальный муссонный климат.

Расчеты по определению параметров ВЭУ в составе микроэнергокомплекса базируются на значениях удельной мощности, которую можно получить с 1 м2 поверхности, ометаемой ветроколесом (Ищу ). Необходимой является информация

об изменении в течение года среднемесячных и среднесуточных скоростей ветра, а также внутрисуточное их распределение для характерных месяцев года. На ее основании построена подробная модель работы ВЭУ, которая позволяет обоснованно подойти к назначению параметров этой энергоустановки, а также определить резервы и дублирование мощностей при работе ВЭУ в комплексе с энергоустановками других типов.

Необходимая для энергетических расчетов информация о солнечном излучении обычно представляется в виде изменения во времени суточной энергии инсоляции на 1 м2 горизонтальной поверхности. Сезонные колебания среднемесячных значений невелики, не превышают ±10% от максимального значения. В то же время среднесуточные значения колеблются в более широком диапазоне. В период муссонных дождей среднесуточная энергия инсоляции может быть на 30% больше и на 70% меньше среднемесячных значений; в сухой период — на 20% больше и на 50% меньше среднемесячных значений.

Обработка натурных данных для среднесуточных значений мощности с 1 м2 площади производилась помесячно. Для ее реализации была составлена специальная компьютерная программа, осуществляющая ранжирование введенных значений удельной мощности, определение среднего квадратичного отклонения по методу наименьших квадратов, построение теоретической и эмпирической функций распределения, проверку соответствия нормальному закону распределения.

Результаты исследований, выполненных в четвертой главе, позволили заключить, что:

— использование в качестве характеристик поступления энергоресурсов ветра и солнца удельных мощностей на 1 м2 поверхности, ометаемой ветроколесом и 1 м2 поверхности фотоэлектрических батарей позволяет унифицировать параметры этих установок при выполнении энерго-экономических расчетов;

— эмпирическая зависимость, связывающая скорость ветра с удельной мощностью, полученная на основании обобщения данных по характеристикам реальных ветровых энергоустановок на мощности до 3 кВт (рис. 4), позволяет обоснованно подойти к оределению энергетических ресурсов ветра;

— при пересчете среднесуточных значений скорости ветра на среднесуточные удельные мощности ВЭУ необходимо вводить повышающую поправку, учитывающую внутрисуточную неравномерность скорости ветра;

— внутригодовое изменение среднесуточных значений удельной мощности СЭС (с 1 м2 горизонтальной поверхности) может рассматриваться как случайный процесс, подчиняющийся нормальному закону распределения; среднеквадратичное отклонение от среднемесячных значений изменяется в узком диапазоне 0,04...0,05 кВт/м2.

В пятой главе выполнена оценка ресурсов возобновляющихся источников энергии — гидравлической, солнечной, ветровой, биомассы и некоторых других — в развивающихся странах. Автор не располагал статистическими материалами по ресурсам каждого энергоисточника по каждой стране (по многим странам такие сведения вообще отсутствуют), однако информация об энергетических ресурсах по регионам, группам стран и по отдельным странам в технической литературе имеется, и это позволило сделать в итоге выполненного обзора определенные заключения.

Развивающиеся страны в большинстве своем имеют слаборазвитую инфраструктуру, и зачастую речь вдет об ординарной электрификации, когда энергия раходуется на самые насущные нужды населения. Диспропорция в мировом экономическом развитии, при котором уровень жизни заметной части населения стоит на грани нищеты и голода, вызвана высокими ценами на энергоресурсы, а не их дефицитом.

Большие усилия, связанные с концентрацией финансовых средств для строительства энергетических объектов и электрификации, несопоставимы с весьма слабыми внутренними возможностями, уже имеющимися государственными долгами и невозможностью получения достаточной экономической помощи для нуждающихся стран.

Во многих случаях приходится рассчитывать на собственные возможности, поэтому так необходимо проводить исследования и анализ внутренних ресурсов, с учетом экологической безопасности и целесообразности, комплексно подходя к решению вопроса о выборе источников электроэнергии и их техническом воплощении. В мировой технической литературе последних лет немало публикаций,

12.00

11.00

10.00

9.00

8.00

7.00

6.00

5.00

4.00

3.00

2.00

1.00

\\\\XXW\XX\

0.00 0.00

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 Диаметр рабочего колеса, м

Рис. 4 Сводный график номинальных параметров ветровых энергетических установок на мощности до 3 кВт

посвященных использованию возобновляющихся источников энергии для создания энергетической инфраструктуры развивающихся стран. Положительным фактором в отношении этих стран является то, что, поскольку энергетические потоки находятся в прямой зависимости от солнечной энергии, то на долю развивающихся стран, расположенных в большинстве своем вблизи экватора, приходится значительная доля мирового энергетического потенциала.

Развивающиеся страны в целом располагают 60% мирового гидроэнергетического потенциала, из которых 50% может быть получено за счет использования энергии малых рек. Доля освоения гидроэнергетического потенциала (в основном, за счет крупных гидроэлектростанций) в странах Азии, Африки и Латинской Америки не превышает 25%. Гидравлическая энергия малых и средних рек в большинстве развивающихся стран должна стать основой электрификации сельскохозяйственных местностей.

Развивающиеся страны, большинство из которых расположены в экваториальных и приэкваториальных районах, имеют благоприятные возможности для использования солнечной энергии. Более эффективным направлением преобразования энергии Солнца является применение фотоэлектрических батарей, массовое производство которых освоено промышленностью. Эффективное использование электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, в местной энергосистеме или для изолированного потребителя, требует аккумулирования элекроэнергии с использованием гидроэнергетических установок или аккумуляторных батарей.

Во многих развивающихся странах энергия ветра может внести существенный вклад в обеспечение электроэнергией сельскохозяйственных районов. Для этих целей освоено промышленное производство ветроэлектрических агрегатов небольших мощностей. С целью повышения надежности электроснабжения в составе местных энергосистем, использующих ветроэлектрические установки, необходимо предусматривать соответствующую дублирующую мощность.

Использование современных технологий получения энергии из биомассы может быть весьма перспективным для многих развивающихся стран. Совершенствование конструкций и упрощение технологичности эксплуатации биогазовых установок будет способствовать их более широкому распространению в сельскохозяйственных районах развивающихся стран.

Использование энергии приливов, ветровых волн, геотермальной энергии может иметь определенное значение для развивающихся стран, имеющих соответствующие энергоресурсы. Однако создание электростанций на этих первичных источниках требует значительных капитальных вложений. Технология преобразования энергии течений, градиента темпратур воды в океане, осмотического давления при впадении рек в моря отработана еще недостаточно для того, чтобы можно было ее рекомендовать для использования в развивающихся странах.

В шестой главе рассмотрены современные технические аспекты использования водных масс нашей планеты. Здесь выдвинуто предложение о расширении понятий "гидроэнергетика" и "гидроэнергетическая установка" в связи с тем, что объективная необходимость и практические усилия по использованию нетрадиционных источников энергии для производства электроэнергии привели к появлению в последние годы электростанций, утилизирующих различных виды энергии водных масс, но не являющихся в традиционном понимании этого термина "гидроэлектростанциями". Ведутся разработки электростанций, преобразующих не только механическую (приливные, волновые, "бесплотинные"), но и химическую и тепловую энергию водных масс ("осмотические", "океанские тепловые", "полярные тепловые" электростанции). Резко увеличившееся число используемых первичных источников энергии для производства электроэнергии, а также для производства промежуточных энергоносителей (так называемая "водородная энергетика") уже начинает вызывать затруднения в общении между специалистами из-за отсутствия общего понимания значений тех или иных терминов и отсутствия общепризнанной классификации энергетических, в том числе гидроэнергетических установок.

В связи с этим предлагается расширить понятие "гидроэнергетика" и подразумевать под ней целенаправленную деятельность человека, предназначенную для утилизации различных видов энергии водных масс, но такой, которая по своей технологии свойственна "традиционной" (речной и приливной) гидроэнергетике и которая реализуется с помощью гидроэнергетических установок.

Под гидроэнергетической установкой предлагается понимать техническую систему (комплекс сооружений, оборудования, устройств) для преобразования энергии воды, в которой, независимо от первичного источника энергии воды (химической, тепловой, механической), на последнем этапе энергетических преобразований (если они имеются) создается напор (концентрированный перепад уровней), преобразуемый в другие виды энергии, преимущественно электроэнергию, как

правило, традиционным гидротурбинным агрегатом (хотя не исключается и получение механической энергии с помощью водяного колеса или другого гидравлического двигателя).

Гидроэнергетическую установку любой мощности, любой конструкции и на любом первичном источнике энергии воды, предназначенную исключительно для производства электроэнергии, предлагается называть гидравлической электрической станцией, гидроэлектростанцией (гидростанцией, ГЭС). Гидроэнергетическую установку, предназначенную для получения механической силы или производства промежуточного энергоносителя неэлектрической природы (например, жидкого водорода), предлагается называть гидросиловой установкой.

Специфику используемого первичного источника энергии воды предлагается отражать соответствующим термином, размещаемым перед словом "гидроэлектростанция", или соответствующей первой буквой от этого термина, размещаемой перед аббревиатурой ГЭС.

Интерес к строительству малых ГЭС, проявляемый в последние 20 лет в развитых и развивающихся странах, обусловлен объективными достоинствами этих энергетических объектов. Можно констатировать, что к настоящему времени практически полностью оформились основные концепции развития малой гидроэнергетики, созданы принципы проектирования малых ГЭС, освоено производство стандартизированного высокоэффективного оборудования, отработаны методы производства строительных работ. С учетом возможностей комплексного использования водохранилища малые ГЭС могут быть признаны наиболее эффективным источником электроэнергии для сельскохозяйственных районов развивающихся стран при наличии местных условий и достаточных финансовых средств.

На первом этапе электрификации сельскохозяйственных районов развивающихся стран, при отсутствии у сельской общины таких средств наиболее целесообразным и эффективным будет применение микрогидроэлектростанций, не предусматривающих создания на реке водоподпорных сооружений. Гидросиловое оборудование микроГЭС может быть приобретено у иностранных турбостроительных фирм или может быть организовано его отечественное производство. При работе микроГЭС на местную энергосистему особое внимание должно быть уделено вопросам регулирования мощности с использованием балластной электрической нагрузки.

В седьмой главе рассмотрены современное состояние и отдельные технические достижения в области преобразования солнечной и ветровой энергии, энергии биогаза, которые могли бы быть применены в развивающихся странах.

Здесь сделаны выводы о том, что достоинства солнечной радиации как экологически чистого возобновляющегося источника энергии обусловили в последние 25 лет значительный интерес и большие успехи в разработке преобразователей солнечной энергии. Их КПД уже достигает 20%, а удельная стоимость — 4500 долл.США за 1 кВт установленной мощности, и продолжает снижаться. Из двух широко применяемых технологий преобразования солнечной энергии — ге-лиотермической и фотоэлектрической — последняя наиболее приемлема для применения в сельских районах развивающихся стран благодаря простоте приобретения и надежности эксплуатации преобразователей заводского изготовления, возможности комплектования электростанции любой необходимой мощности, простоте обслуживания и ремонта. Рассмотрены специальные технологии преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую, разработанные специально для развивающихся стран.

Биомасса в виде дров, хвороста и отходов сельскохозяйственного про-изовдетва очень широко используется населением развивающихся стран, как топливо, для бытовых нужд и некоторых местных производств. Современные технологии получения биогаза из биомассы позволяют расширить возможности использования последней в развивающихся странах, в том числе и для производства электричества. Невысокая удельная стоимость таких установок — около 5 долл.США на 1 м3 конструкции позволят в условиях тропического климата при выходе газа 0,3...0,4 м3/сут.м3 получить стоимость 1 кВт установленной мощности энергетической установки с подобным газогенератором на уровне 600... 800 долл.США/кВт.

В этой главе также введено понятие микроэнергокомплекса (МЭК), рассмотрены особенности его функционирования. В состав МЭК входят наиболее распространенные и наиболее освоенные энергетические установки — микрогидроэлектростанция, солнечная (фотоэлектрическая) микроэлектростанция и ветровая энергетическая установка (рис. 5). Конструктивно МЭК представляет собой силовой узел, в котором компактно размещены микроГЭС, микроСЭС и ВЭУ, а также основная аккумуляторная батарея для перераспределения электроэнергии внутри суток. В непосредственной близости размещаются наиболее мощные потребители. Питание бытовых потребителей осуществляется с помощью индивидуальных аккумуляторных батарей, зарядка которых производится на силовом узле.

Рис. 5 Укрупненная блок-схема микроэнергокомплекса

В восьмой главе предложена экономическая концепция малых электроэнергетических комплексов для наименее развитых стран. Мы исходили из необходимости обеспечить сельское население электроэнергией на бытовом уровне, что уже позволяет качественно улучшить условия его жизни. Как показано в главе 2, речь идет об электроэнергетических установках мощностью до 10-20 кВт, обеспечивающих электроэнергией одну сельскую общину.

Выполненные проработки показывают, что стоимость микроэнергокосплек-са может быть достаточно низкой — от нескольких тысяч до 100 тысяч долларов

Жизненный цикл проекта МЭК принят равным сроку полной амортизации оборудования. Реально это 10-15 лет. К концу срока должны быть соблюдены следующие условия:

— полностью возвращен кредит, взятый на приобретение электроэнергетиче-

ского оборудования, с учетом процента на рост капитала;

— накоплена сумма на приобретение нового оборудования.

Таким образом, речь идет о самоокупаемом проекте, который, будучи единожды запущен, продолжает самостоятельное существование.

Погашение кредита и необходимые отчисления осуществляются за счет получения дохода от продажи электроэнергии членам общины при нулевой норме прибыли, что определяет равенство тарифа на электроэнергию ее себестоимости.

Структура издержек выражается формулой

где: р;, К), Т, — процентная ставка, сумма и срок возврата кредита ¡-ого источника; К, Т —капиталовложения и жизненный цикл проекта; р, I — процентная ставка по банковским вкладам и инфляция в относительных единицах;

Иэкшл — эксплуатационные расходы. 3. Все экономические показатели МЭК пропорциональны значению капиталовложений или сумме начального кредита. Таким образом, минимум капиталовложений при заданном годовом потреблении электроэнергии может быть принят в качестве критерия оптимизации параметров энергетических установок, входящих в его состав.

США.

т

зк си •

В девятой главе разработаны методика и программа автоматизированной оптимизации параметров микроэнергокомплекса. Задача формулируется следующим образом:

— для заданного изменения удельных мощностей СЭС и ВЭУ, а также мощностей ГЭС по водотоку найти площади, занимаемые СЭС и ВЭУ, по критерию минимума капиталовложений в МЭК;

— в качестве ограничений принять условие о том, что в течение расчетного периода суммарная мощность микроГЭС, ВЭУ и СЭС должна превышать мощность нагрузки.

Целевая функция записывается в следующем виде:

КГЭС'КГЭС + КС ЭС"(NC3C)шах 'рСЭС + КВЭУ(ЫВЭУ) max ' FB ЭУ = Kmin >

где: КрДэс, , К^у — удельные капиталовложения на i кВт максимальной

мощности соответственно ГЭС, СЭС и ВЭУ;

(МСЭС )> (Njgy) — максимальные удельные мощности с 1 м2 поверхности

соответственно СЭС и ВЭУ с учетом внутрисуточной неравномерности.

Ограничения представляют собой систему неравенств, каждое из которых записывается для соответствующего календарного месяца года:

Nf ЭС + ^ДЭС1 • FC3C + , • Froy > N н a r pi > N[ ЭС + N^3C2 .FC3C + N^y 2 -Froy > NHar p 2 ;

*тЭС +^дЭСт-Рсэс+^Я)Ут.рЮу >м11агр т где: ¡=1,2...т —порядковые номера месяцев;

^СЭС ' ^ЮУ • — удельные значения мощностей СЭС и ВЭУ для ¡-ого месяца, кВт/м2;

м'| ЭС — мощность ГЭС по водотоку для ¡-ого месяца, кВт; а г р | — мощность нагрузки для ¡-ого месяца, кВт.

Нетрудно видеть, что мы имеем здесь оптимизационную задачу Рсэс и Рвэу, решаемую методами линейного программирования.

Анализ результатов оптимизационных расчетов позволяет сделать следующие заключения:

— для кажждой комбинации заданных удельных экономических и энергетических показателей ГЭС, СЭС и ВЭУ существует такое соотношение их мощностей, при котором обеспечивается минимум суммарных капиталовложений по МЭК. значение которого, в общем, не сохраняется для другой комбинации удельных экономических показателей;

— при пропорциональном изменении удельных капиталовложений по СЭС и ВЭУ, а также при изменении удельных капиталовложений по ГЭС точки локальных оптимумов сохраняют свое положение; то есть сохраняются оптимальные пары значений Рсэс-Рвэу; не изменяется и положение глобального оптимума (триада 1Чгэс-Рсэс-Рвэу); меняются лишь значения целевой функции (капиталовложения в МЭК);

— изменение значения установленной мощности ГЭС приводит к трансформации области ограничений и влияет тем самым на положение точек локальных и глобального оптимумов.

Разработанная в диссертации методика оптимизации параметров микро-энергокомплекса и методика расчета экономической эффективности реализованы в виде компьютерной программы. Программа имеет удобный интерфейс, снабженный необходимыми таблицами и графиками, позволяющий пользователю эффективно контролировать исходные данные, промежуточные и конечные результаты расчета (рис. 6, 7). Программа состоит из трех самостоятельных частей, выполняемых последовательно.

1 часть — оптимизация энергетических показателей ГЭС, СЭС и ВЭУ;

2 часть — расчет экономических показателей микроэнергокомплекса;

3 часть — расчет движения денежных средств за период эксплуатации МЭК.

В десятой главе разработаны методики выбора дублирующей и резервной

мощностей МЭК, а также определения значения необходимого аккумулирования энергии для компенсации взаимного небаланса внутри суток генерирующих мощностей и нагрузки.

Оптимизация энергетических показателей ГЭС, СЭС , ВЭУ в составе микроэнергокомплекса

Исходные данные

Устаноал мощность ГЭС кВт Удельные капиталовложения

ГЭС $/кВт СЭС $/кВт ВЭУ $/кВт

4 1000 4500 1500

Нагруэочн резерв кВт

И сходные д а н н ы • Результаты расчета Линейные уравнения ограничений

Месят Удельные мощности Среднемесячные мощности

СЭС кВт/м2 ВЭУ кВт/м2 Водотока кВт Нагрузки кВт ГЭС кВт СЭС кВт ВЭУ кВт Суммарн. кВт

1 0.210 0.028 14.00 4.5 4 2.10 0,53 6,63 4 + 0.210 Рсэс + 0.028 Рвэу > 5.5

2 0.215 0.035 13.00 4.5 4 2.15 0.67 6.82 4 + 0.215 рсэс + 0.035 Рвэу > 5.5

3 0.211 0,021 12.00 4 4 2.11 0.40 6.51 4 + 0.211 рсэс + 0.021 Рвэу > 5

4 0.217 0.019 11.00 3.5 4 2.17 0.36 6.53 4 + 0.217 Рсэс + 0,019 Рвэу > 4.5

5 0.237 0.017 4.50 5.5 4 гз7 0.32 6.69 4 + 0.237 Рсэс 0.017 Рвэу > 65

6 0,265 0.019 3.50 5.5 3.5 2.65 0.36 6,51 3.5 + 0.265 Рсэс 0.019 Рвэу > 6.5

7 0.263 0.026 4.00 5.5 4 2.63 0.49 7.12 4 + 0.263 Рсэс + 0.026 Рвэу > 6.5

8 0,268 0.043 3.00 5.5 3 2,68 0.82 6.50 3 + 0.268 Рсэс + 0,043 Рвэу > 6.5

9 0.237 0.069 3.00 5.2 3 2.37 1.31 6.68 3 + 0.237 Рсэс + 0.069 Рвэу > 6.2

10 0.208 0.026 5.00 4.5 4 2.08 0.49 6.57 4 + 0.208 Fcэc + 0.026 Рвэу > 5.5

11 0.221 0.020 10.00 4.5 4 гг1 0.38 6.59 4 + 0.221 рсэс + 0.020 Рвэу > 5.5

12 0.217 0.017 12.00 4.5 4 2.17 0.32 6.49 4 + 0.217 Рсэс + 0.017 Рвэу > 5.5

Уровень целевой Функции

16000

Линейное уравнение целевой функции

1000

гэс

Муст + 3618 Рсэс +

310.5 Рвэу = 46000

Рис. 6 Иллюстрация 1 этапа (начало) программы автоматизированного выбора параметров ГЭС, СЭС и ВЭУ в составе микроэнергокомплекса на базе энергоэкономических расчетов и оптимизации

Графическое представление ограничений и целевой функии

Мощности, кВт

— -у-] гт -| ||

¡111 ТтПТ^ 1п39!!11

месяцы

Ш сэс Ш вэу В гэс

Мощности, кВт

1 2 3 4 5 6 7 8 Э 10 11 12 месяцы

В суммарная МЭК И нагрузки

Рис. 7 Иллюстрация 1 этапа (продолжение) программы автоматизированного выбора параметров ГЭС, СЭС и ВЭУ в составе микроэнергокомплекса на базе энергоэкономических расчетов и оптимизации

Суточная неравномерность проявляется как за счет изменения полезной нагрузки потребителей, так и естественных внутрисуточных колебаний в поступлении энергоресурсов солнца и ветра.

Если генерирующие мощности превышают мощность нагрузки в течение всех суток, то неравномерность может быть компенсирована электрическим балластом. Такая ситуация характерна для многоводного периода, когда среднесуточная мощность ГЭС равна установленной.

В маловодный период, когда среднесуточные мощности ГЭС становятся меньше установленной, для компенсации внутрисуточной неравномерности необходимо перераспределить генерирующие мощности в течение суток. В условиях отсутствия водохранилища или бассейна суточного регулирования ГЭС эту функцию может выполнить аккумулятор (АБ).

Избыточная среднесуточная генерирующая мощность для заряда АБ может быть получена в многоводный период за счет дублирования мощностей ГЭС, СЭС и ВЭУ; а в наиболее напряженный период года — за счет нагрузочного резерва, который вводился нами при выполнении оптимизационных расчетов. Нагрузочный резерв исчислялся как превышение суммарной среднемесячной генерирующей мощности над среднемесячной мощностью нагрузки.

Задача состоит в подборе такой емкости аккумулятора, которая обеспечивала бы:

— компенсацию взаимной внутрисуточной неравномерности генерирующих мощностей и нагрузки с учетом КПД аккумулирования;

— необходимую мощность заряда с учетом ограничения, определяемого емкостью АБ.

Математическая модель суточных режимов работы микроэнергокомплекса реализована в среде EXCEL. Расчеты выполняются для характерных суток каждого календарного месяца (рис. 8). Используется типичное внутрисуточное распределение удельных мощностей СЭС и ВЭУ. Фактические значения мощностей корректируются с учетом изменения их среднесуточных значений.

Анализ необходимого дублирования генерирующих мощностей МЭК выполнен с использованием разработанной вероятностной модели, описывающей изменчивость среднесуточных значений мощностей в течение года. На рис. 9 показано полученное в результате расчета изменение в течение года значений среднесуточных мощностей МЭК, среднемесячных мощностей обеспеченностью 90%, и мощностей нагрузки.

Суточный график мощности, кВт

О ГЗС+СЭС+ВЭУ П нагрузка

Емкость аккумулятора, кВтч

12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 i ,

Суточяый график мощности, кВт

гэс 13 сэс ЁЗ вэу

Рис. 8 Пример расчета суточного режима МЭК дая характерного дня августа

■ Полезная нагрузка -Среднесут. ~— Мощность МЭК

мощность МЭК Р=90%

Сутки

Рис. 9 Внутригодовое изменение генерирующих мощностей МЭК и нагрузки

В таблице приведены основные параметры микроэнергокомплекса максимальной мощностью 16 кВт, установленные по результатам автоматизированного проектирования.

Таблица

Показатели микроэнергокомплекса по результатам автоматизированного проектирования

Энергоустановка Параметр Размерность Значение

Удельные капиталовложения доллУкВт 1000

1ЭС Установленная мощность кВт 4,0

Гарантированная мощность кВт 3,0

Удельные капиталовложения долл./кВт 4500

Площадь солнечных батарей м2 10,0

СЭС Среднемесячная мощность

максимальная/минимальная кВт 2,7/2,1

Среднеквадратичное отклонение среднесуточных

мощностей кВт 0,5

Максимальная мощность кВт 8,0

Удельные капиталовложения долл./кВт 1500

Площадь, ометаемая ветроколесом м2 19,0

Среднемесячная мощность

ВЭУ максимальная/минимальная кВт 1,3/0,3

Среднеквадратичное отклонение среднесуточных

мощностей кВт 0,2

Максимальная мощность кВт 3,9

АБ Емкость кВт-ч 12,0

Максимальная мощность заряда кВт 1,0

Среднемесячная мощность

Нагрузка максимальная/минимальная кВт 5,5/3,8

Максимальная мощность кВт 7,5

Потребление электроэнергии кВтч/год 41000

Капиталовложения тыс. долл. 45,6

Жизненный цикл проекта лет 15

Отчисления по кредиту тыс. долл./год 5,3

Амортизационные отчисления тыс. доллУгод 3,5

Себестоимость электроэнергии доллУгод 0,2

Коэффициент эффективности капиталовложений отн. ед. 1,7

В одиннадцатой главе рассмотрены сложные и разнообразные проблемы адаптации проектов комплексного сельского развития и проблемы экологического и технического образования сельского населения в развивающихся странах. По материалам анализа сделано заключение о том, что при разработке и реализации проектов комплексного сельского развития в развивающихся странах, отличающихся низким уровнем грамотности сельского населения, необходимо решать проблемы экологического, социального и технического образования местного населения.

Целью образования является адаптация населения к новым условиям жизни, создаваемым при реализации проектов комплексного сельского развития. Успех программ образования во многом определяется применением дидактических принципов с учетом специфики образа жизни и мировоззрения местного населения.

Для реализации проектов комплексного сельского развития необходимо организовать подготовку инженера-строителя широкого профиля; такую подготовку следует вести на базе образования инженера-строителя по специальности "Промышленное и гражданское строительство" и по специальности "Гидротехническое строительство".

Для совершенствования подготовки инженера-строителя широкого профиля в диссертации предложен примерный учебный план, обеспечивающий специализацию в области строительства при реализации проектов комплексного сельского развития в развивающихся странах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

I. Направление и содержание диссертационной работы сформулированы на основе опыта многолетней практической деятельности автора по экономическому и социальному развитию сельскохозяйственных районов ряда слаборазвитых стран (Шри-Ланка, Замбия, Мальдивские острова, Лаос, Бирма (Мьянма), Кампучия, Таиланд, Заир), а также в Швейцарии, США, Австрии, осуществлявшейся по линии ООН и других международных организаций в период с 1968 по 1996 год.

2. В диссертации выполнено обобщение обширного фактического материала, включая данные ООН, ЮНИСЕФ, Мирового банка, а также собственные материалы автора по более чем 80 странам, связывающее количественные показатели уровня жизни с уровнем удельного энергопотребления. Показано, что более 250 млн. чел. не имеют возможности использования коммерческих видов топлива; для группы наименее развитых стран характерно значение удельного энергопотребления менее 50 кг у.т. на человека в год с долей биомассы до 95%; обеспечение местного населения электроэнергией, эквивалентное 10...20 кг у.т. на человека в год, создает условия для перехода уровня жизни в новое качественное состояние. С учетом актуальности вопроса эффективного использования инвестиций международных гуманитарных фондов в экономику слаборазвитых стран в диссертации обоснована необходимость первоочередных вложений в малую электроэнергетику сельскохозяйственных районов как базу для развития инфраструктуры и повышения уровня жизни населения.

3. Для количественной оценки потребностей в электроэнергии и выбора генерирующих мощностей сформулированы понятия "типового дома" и "типовой деревни"; разработана методика, позволяющая на основании опроса жителей общины, анализа ответов и местной ситуации оценить минимальный потребный уровень бытового и коммунального энергопотребления. Разработаны принципы формирования перспективных графиков нагрузки типовой местной энергосистемы.

4. Электрификация сельскохозяйственных районов развивающихся стран способна обеспечить существенное улучшение имеющейся экологической ситуации.

Получены количественные соотношения, позволяющие оценить возможность сохранения лесных площадей при использовании электрогенерирующих установок различной мощности.

5. Развивающиеся страны располагают вполне достаточным потенциалом возобновляющихся источников энергии — гидравлической, солнечной, ветровой, биомассы и некоторых других — для полного и надежного удовлетворения потребностей в электроэнергии сельскохозяйственных районов. Гидравлическая энергия малых и средних рек, характеризующаяся максимальной природной концентрацией и обеспеченностью, полностью освоенной, надежной и дешевой технологией преобразования, в большинстве развивающихся стран должна

стать основой электрификации сельскохозяйственных местностей. На первом этапе электрификации, при отсутствии у сельской общины достаточных финансовых средств наиболее целесообразным и эффективным будет применение гидроэлектростанций, не предусматривающих создания на реке водоподпор-ных сооружений.

6. Для применения в сельскохозяйственных районах предпочтительной является технология использования энергии солнечной радиации с помощью фотоэлектрических преобразователей благодаря надежности эксплуатации, возможности комплектования электростанции любой необходимой мощности, простоте обслуживания и ремонта. Выполненный автором статистический анализ натурных данных по солнечному излучению для условий Шри-Ланки позволил разработать вероятностные модели для описания изменчивости среднесуточных режимов солнечной инсоляции, имеющие хорошую сходимость с натурными данными.

7. Научно-технические разработки последних лет обеспечили высокую надежность ветроэнергетических установок заводского изготовления. Полученная автором на основании обобщения данных по характеристикам выпускаемых промышленностью ветроустановок на мощности до 3 кВт эмпирическая зависимость, связывающая скорость ветра с удельной мощностью ВЭУ, позволяет обоснованно подойти к определению энергетических ресурсов ветра. Введение корректирующей поправки при пересчете среднесуточных значений скорости ветра на среднесуточные удельные мощности ВЭУ позволяет учесть внутрису-точную неравномерность скорости ветра.

8. Наиболее рациональное преобразование и высокая надежность электроснабжения потребителей могут быть обеспечены при совместном использовании возобновляющихся первичных источников энергии. В диссертации предложен микроэнергокомплекс (МЭК), в состав которого входят наиболее распространенные и наиболее освоенные энергетические установки — микрогидроэлектростанция (микроГЭС), солнечная (фотоэлектрическая) микроэлектростанция (микроСЭС), ветровая энергетическая установка (ВЭУ). Конструктивно МЭК представляет собой силовой узел, в котором компактно размещены генерирующие установки на постоянном токе низкого напряжения, а также аккумуляторная батарея для перераспределения электроэнергии внутри суток; вблизи силового узла расположены наиболее мощные потребители; питание бытовых потребителей осуществляется с помощью заряжаемых на силовом узле индивидуальных аккумуляторных батарей.

9. Комплекс вопросов, возникающих при обосновании инвестиций в проекты малых электроэнергетических объектов на базе возобновляющихся источников энергии, может быть решен на основании выполненных в диссертации методических разработок, включающих:

— статистическую обработку и приведение к необходимому виду исходной информации по среднемесячным, среднесуточным и внутрисуточным режимам поступления возобновляющихся энергоресурсов и нагрузки;

— адаптацию методов линейного программирования для оптимизации параметров ГЭС, СЭС и ВЭУ при совместной работе в составе микроэнергоком-плекса;

— моделирование длительных и краткосрочных режимов работы ГЭС, СЭС и ВЭУ в составе МЭК с определением необходимого дублирования и аккумулирования энергии;

— определение экономических показателей МЭК и структуры издержек с учетом характеристик рыночной экономики; калькуляцию движения денежных средств за время жизненного цикла проекта.

Методики реализованы в виде компьютерного программного комплекса и могут рассматриваться как элемент системы автоматизированного проектирования малых электроэнергетических объектов.

10. Использование методов линейного программирования позволило построить программу автоматизированного выбора оптимальных совокупностей параметров ГЭС, СЭС и ВЭУ, а также получить аналитические зависимости для оценки структуры генерирующих мощностей в зависимости от соотношения между удельными энергетическими и экономическими показателями ГЭС, СЭС и ВЭУ.

11. Для компенсации среднесуточной неравномерности поступления первичных энергоресурсов предложено использование дублирования мощностей, количественная оценка которого получена на базе использования вероятностных моделей.

12. Для описания предложенной в работе концепции малых самоокупаемых электроэнергетических объектов в условиях развивающихся стран создана экономико-математическая модель с учетом показателей рыночной экономики. Полученные для основных экономических показателей зависимости рекомендуется использовать для экспертных оценок на предварительных этапах проектирования.

13. Предложенная методика работы с местным населением направлена на адаптацию его к новым социальным, экологическим и техническим условиям, создаваемым в результате реализации проектов комплексного развития.

Для подготовки инженеров широкого профиля, реализующих энергетические проекты, рекомендован учебный план, учитывающий в отличие от существующих, специфику работы специалистов в сельскохозяйственных районах развивающихся стран.

Выполненные в диссертации терминологические разработки позволяют уточнить ряд существенных понятий, используемых при техническом, юридическом и финансовом оформлении проектов.

Подписано в печать , -/•/. 1996 г. Формат 60x84 1/16. Печать офс. И- Щ Объём 1,25 п. л. Т.10жз. Заказ / 4$2 Московский государственный строительный университет.