автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Исследование эффективности использования солнечной энергии для систем автономного энергоснабжения в Республике Союза Мьянма

На правах рукописи

ЙеВин

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ В РЕСПУБЛИКЕ СОЮЗА МЬЯНМА

Специальность: 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии»

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2013

16 МАЙ 2013

005059787

Работа выполнена на кафедре нетрадиционных и возобновляемых источников энергии ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» г. Москва.

Научный руководитель: доктор технических наук

профессор Виссарионов Владимир Иванович,

национальный исследовательский университет "МЭИ"

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Новиков Николай Леонтьевич,

ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» начальник отдела новых электросетевых технологий

кандидат технических наук, доцент Тюхов Игорь Иванович,

исполнительный директор кафедры ЮНЕСКО «Техника экологически

чистых производств» московского государственного университета инженерной экологии

Ведущая организация: Лаборатория возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Защита диссертации состоится 07.06.2013 в 15 час. На заседании диссертационного Совета Д 212.157.03 Национального исследовательского университета "МЭИ" по адресу: ул. Красноказарменная, д. 17, ауд. Г-200.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке «НИУ «МЭИ». ^ Автореферат разослан ¿? -- 2013 г.

>

Председатель

диссертационного совета Д 212 157.03

Жуков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Более 71% населения Республики Союза Мьянма (РСМ) живет в районах децентрализованного или ненадежного централизованного энергоснабжения. Энергообеспечение потребителей этих районов традиционно осуществляется с применением автономных бензиновых электростанций. Однако их работа наносит ощутимый вред экологической обстановке и сопряжена со значительными материальными затратами на топливо и его доставку.

Альтернативой бензиновым электростанциям могут выступать системы на основе солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), преобразующих экологически чистый источник возобновляемой энергии (ВИЭ) - солнечное излучение (СИ), что подтверждается оценкой солнечных ресурсов PCM, а также опытом некоторых азиатских стран, где уже сейчас широко применяются СФЭУ.

Проведено исследование эффективности использования схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭУ. Выявлен их характерный состав и параметры при учете климатических особенностей РСМ (колебания среднесуточной температуры составляет от 18°С до 32°С). В работе исследуется изменение эффективности использования солнечной энергии при условия жаркого климата РСМ. Кроме того, рассмотрены методы снижения влияния температуры на энергетические характеристики солнечных модулей. В работе дана оценка эффективности использования системы охлаждения (СО) солнечных модулей (СМ).

В работе анализируется схема энергоснабжения в состав которой входит: СФЭУ (в качестве источника электрической энергии); вакуумные солнечные коллекторы (ВСК) (для обеспечения горячего водоснабжения); кондиционер для охлаждения помещений потребителя. В качестве источника резервного или дополнительного электроснабжения предусмотрено использование бензиновой энергоустановки (БЭУ). Для перераспределения солнечной энергии во времени, в схему включены аккумуляторные батареи (АБ).

Были рассмотрены различные схемы энергоснабжения потребителя и параметры их элементов с применением традиционных невозобновляемых и возобновляемых источников энергии. Проведено технико-экономическое

сравнение вариантов по критерию минимума суммарных дисконтированных затрат с целью определить наиболее эффективную схему.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью энергообеспечения потребителей, живущих в удалённых районах, вырабатываемой системами автономного энергоснабжения на базе СФЭУ.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании эффективности использования солнечной энергии в системе энергоснабжения автономных потребителей в РСМ.

Основные задачи исследований:

Для достижения поставленной цели в работе представлены, сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов для условий РСМ;

2. Разработка и обоснование оптимальной структуры системы энергоснабжения типового автономного потребителя РСМ с использованием СФЭУ;

3. Исследование путей повышения эффективности энергетических характеристик СФЭУ с учетом климатических условий РСМ;

4. Исследование влияние технико-экономических факторов на экономическую эффективность использования СФЭУ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние температуры на энергетические характеристики солнечных модулей, показано, что в условиях РСМ КПД солнечного модуля снижается до 12 %;

2. На основе разработанного математического и программного обеспечения для расчетов оптимальных параметров энергокомплекса для энергоснабжения типового автономного потребителя с использованием солнечных фотоэлектрических установок и солнечных коллекторов, показана экономическая целесообразность применения солнечной энергии в условиях РСМ;

3. Показано, что применение системы охлаждения солнечного модуля в условиях РСМ позволяет на 17 % повысить КПД солнечного модуля, отказаться от применения сонечного коллектора для получения горячей воды, что в целом приводит к уменьшению суммарных дисконтированных затрат по энергокомплексу на 42,2%.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования разработанных оценок и рекомендаций специалистами РСМ при планировании развития экономической и энергетической отрасли страны. Разработаны методики и программное обеспечение, позволяющие определить параметры элементов системы автономного энергоснабжения (САЭС) на базе СФЭУ в РСМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Исследовано влияние температуры на энергетические и экономические характеристики энергокомплекса для условий РСМ;

2. Разработаны алгоритмы и программы выбора и обоснования основных энергетических параметров систем энергоснабжения типового автономного потребителя РСМ на основе использования солнечной фотоэлектрической установки с учетом влияния температуры окружующей среды;

3. Показана эффективность использования солнечных коллекторов для систем горячего водоснабжения в РСМ;

4. Показано, что в условиях жаркого климата РСМ для уменьшения влияния температуры на энергетические характеристики солнечных модулей экономически целесообразно использовать систему' водяного охлаждения солнечного модуля с последующей подачей нагретой воды для бытовых нужд потребителя;

5. Показано, что современые тенденции роста цены на топливо и снижения цен на солнечные модули позволяют рассчитывать на срок окупаемости 4-5,5 года, что делает использование солнечной энергии весьма перспективным для РСМ, а результаты работы могут быть использованы при разработке перспективных программ развития энергетики страны.

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Вторая международная научно -практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи -путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦ; научный семинар кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ», 20 Юг; Седьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» в МГУ, 20 Юг; Семнадцатая международная научно - техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ», 2011г; Третья международная научно -практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи -путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦ; научный семинар

кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ», 2011г; Восемнадцатая международная научно -техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ», 2012г; Четвертая международная научно - практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦ; научный семинар кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ», 2012г; Восьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» в МГУ, 2012г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Струклура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 155 страницах машинописного текста, иллюстрированных 79 рисунками и 71 таблицами; список литературы включает 78 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, дана оценка новизны и кратко изложено содержание работы.

В первой главе дан анализ современного состояния и перспектив развития использования возобновляемых источников энергии в PCM. РСМ находится в юго-восточной Азии. Страна расположена между 9° 32' и 28° 3' градусами северной широты и между 92° 10'и 101° 11' восточной долготы. РСМ, развивающаяся страна, поэтому она очень нуждается в электрической энергии. Потребление электроэнергии на человека в РСМ является одной из самых низких в Азии. В 2012 г. удельная энергия на человека составила около 166 кВт-ч/год.

В настоящее время объединенная электроэнергетическая система (ОЭС) РСМ охватывает только большие города страны (22% территории страны). Только некоторые деревни (порядка 1300 из 6379) получают электроэнергию от ОЭС. Сельские жители живут практически без электричества. Значительная часть населения 78 % проживают в районах, удаленных от ОЭС и являются автономными потребителями.

В ряде стран Азиатского региона (Китай, Япония, Южная Корея) в настоящее время активно используется солнечная энергия, в частности солнечные фотоэлектрические установки для электроснабжения потребителей, показаны современные тенденции производства и применения солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС). Солнечные

» б

I

фотоэлектрические станции вырабатывают энергию в более чем 100 странах и продолжают быть наиболее быстро растущей технологией производства электроэнергии в мире. Согласно последним статистическим данным, общая установленная мощность СФЭС в 2011 году в мире превысила 69,7 ГВт. Следует отметить высокие темпы роста мирового производства солнечных фотоэлектрических систем - в среднем на 30 - 40 % в год, начиная с 2000 г., которые по оценкам международных экспертов сохранятся в ближайшие десятилетия, доведя к 2040 году долю солнечной энергетики до 25 - 28 % мирового производства электроэнергии.

Во второй главе показана возмошность использования солнечной энергии в РСМ. Благодаря географическому расположению, РСМ имеет очень благоприятные условия для использования солнечной энергии. Приход

СОЛНеЧНОЙ раДИаЦИИ (CP) составляет ОТ 4 г(кВт*ч)/м2, д0 354 ,(кВт»ч)/м2, в

Сут I сут J

течение года, что позволяет эффективно использовать солнечную энергию для энергоснабжения автономных и централизованных потребителей с помощью СФЭУ.

К большому к сожалению в РСМ очень мало гидрометеорологических станций (ГМС), поэтому для проведения гелиоэнергитических расчетов необходимо использовать допольнительную информацию о приходе солнечной радиации. В качестве источников такой информации были использованы мировые базы данных (БД) "NASA" и "METEONORM".

Проведенный сопоставительный анализ среднемесячных значений прихода CP по данным этих БД и данных ГМС РСМ для района Мейтхила показал, что различие среднемесячных данных по СИ е БД "NASA" не превышает 6% для всех месяцев года, кроме двух месяцев января и ноября, в которых погрешность более 10%, для БД "METEONORM" наибольшие расхождения по параметрам в период с октября по январь не превышают 14%.

Проведенный анализ показал, что полученные данные свидетельствуют о возможности использования международных баз данных "NASA" и "METEONORM" для расчетов CP в рассматриваемом районе РСМ (Мейтхил), в условиях отсутствия данных наблюдений за приходом CP на ближайших территориях данного района.

В связи с тем, что на приход СР большое значение оказалось угол падения лучей на приемную площадку, было произведено исследование влияния угла наклона приемника прихода СР.

Р

Рис.1. Определение оптимального, постоянного в течение всего года, угла наклона приемной площадки на широте 20,88°

Результаты расчетов, представленые на рисунке 1 показали, что наибольший годовой приход CP достигается при углах наклона приемника в диапазоне 0° - 40°( при этом приход CP колеблется в пределах 5 %). Сезонное слежение за Солнцем дает увеличение прихода CP на 3 - 7 % в год. Учитывая, что в данной работе рассматриваются автономные потребители, наиболее целесообразно установить СМ под постоянном углом в течение года, соответствующим углу наклона крыши. Особенно если он находится в указанном диапазоне.

Во третьей главе было исследовано влияние температуры на энергетические характеристики СМ в условиях РСМ. Был проведен анализ изменения температуры окружающей среды в РСМ. Колебания среднесуточной температуры в РСМ составляет от 18°С до 32°С. При этом, максимальная температура в течении суток может достигает более 41°С, особенно в центральной части РСМ.

В работе использованы наиболее распространенные и надежные модели, позволяющие определить температуру поверхности СМ в зависимости от температуры окружающей среды.

Первая зависимость:

(a°-R.r,M.X) < 8

I

где Тсм - температура СМ, С; R - приход СИ, Вт/м2; а - интегральный коэффициент поглощения СИ фотоэлектрическим преобразователем, 0,97; а0 - коэффициент теплоотдачи с поверхности СМ, принимаемый обычно при средних условиях для СМ равным 40 Вт/(м2.К); То.с - температура окружающей среды в расчетной точке, К; г)см - КПД солнечного модуля, о.е; X - температурный коэффициент СМ, 0,004.

Вторая зависимость:

7«=r„ + g^(tfocr-20eC) ■ (2)

где Тсм - температура поверхности СМ, С; R - приход СИ, Вт/м2; То.с -температура окружающей среды в расчетной точке, С; N0tc - нормальная температура эксплуатации СЭ.

При этом, КПД солнечного модуля определяется согласно зависимости:

77а, = %М,0045.(7^-25)) (3)

где т]см - КПД солнечного модуля, %; т|0 - КПД солнечного модуля при 25°С; Тсм — температура поверхности СМ, °С.

На рисунке 2 представлено изменение температуры СМ в зависимости от CP и температуры окружающей среды. При этом, КПД солнечного модуля снижается на 3 - 4,1 %. В дальнейших расчетах рассматривалась модель, дающая наибольшее снижения КПД СМ (зависимость 2).

Рис.2. Изменение температуры СМ в зависимости от СР и температуры окружающей среды (день с максимальной температурой окружающей среды)

Для уменьшения отрицательного влияния высокой температуры окружающей среды на энергетические характеристики СМ, в работе рассмотрено использование СФЭУ с системой водяного охлаждения СМ и с последующей подаче нагретой воды для бытовых нужд потребителя. На рисунке 3 представлена конструкция системы охлаждения СМ.

Охлаждающая вода

Толщина поглотителя

Раост между „ ,

Диаметр трубы

трубами

Рис.3. Конструкция системы охлаждения СМ

Для определения тепловой эффективности системы охлаждения используется зависимость

тСр ( q(T )Y ' '' '

где пА - тепловая эффективность охлаждения системы, %; m - массовый расход воды, кг/с; Ср - удельная теплоемкость воды, Дж/кг.К; R - приход солнечной радиации, Вт/м2; Ln - длина поглотителя, м; W - расстояние между соседними трубами, м; Т0.с - температура окружающей среды, К; Твх -температура входящей воды, К; q(T0X) - удельная тепловая мощность, поглощаемая ребром поглотителя, Вт/м; q'(T0C) - производная по Тос , Вт/м.К.

Влияние основных факторов на систему охлаждения солнечного модуля представлены на рисунках 4-5.

(4)

Рис.4. Изменение тепловой эффективности охлаждения в зависимости от диаметра трубы охлаждения и расстояния между соседних труб.

Проведенные в работе исследования показали, что факторами наиболее влияющими на тепловую эффективность системы охлаждения являются массовый расход воды, диаметр труб с охлаждающей водой и приход СР.

т = 3 ■ ---/-.........................-......... 0 " 3

^ т = 3 10 :

т = • 10 "5 э-о--»-® -■в*-о-®-

т вк = 293 к , то.о = 303 к

р i i = 0,07 к 1 м,

40----;-—---

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Рис.5. Изменение тепловой эффективности охлаждения в зависимости от прихода солнечной радиаций

На рисунке 6 представлено изменение температуры СМ, т|См и мощность одного СМ без и с системой водяного охлаждения

н в

О

а Псм(ох Л) см( )ЄЗ ОХЛ і

^ і 1см(без ОХЛ^г_ / л т см(охл Ч >

/ "" «V ✓ ч ч ч

/ / /у / у т ;м(охл] (без ох 0)4^ N . \ \ \

/ /У і/ - - - \\ v

✓ ✓ —>1

9 10 11 12 13 14 15 16 17

і (час)

Рис.6. Изменение температуры СМ, г|См и мощность одного СМ без и с системой водяного охлаждения

При наличии системы охлаждения в СМ его температура снижается на 59 %, КПД и мощность СМ увеличивается на 17% (для дня с максимальным приходом СР).

Показано, что применение системы охлаждения позволяет удерживать температуры поверхности СМ не выше 28°С в самые жаркие часы, т.е понизить ее более чем на 50 % по сравнению с установкой, не имеющей систему охлаждения. Это позволяет поддерживать КПД на уровне, не ниже 14,6 % даже с учетом расхода части мощности, производимой СМ, на прокачку воды через систему охлаждения.

В четвертой главе предложена структурная схема системы автономного энергоснабжения, основанная на применении СФЭУ для генерации электрической энергии и ВСК для обеспечения горячего водоснабжения. В рассмотреваемом схеме предусмотренные аккумулярторные батареи (АБ) для хранения выработанной энергии и обеспечения потребителя в ночные часы, резервный и дополнительный источник энергии - бензиновый генератор, электронагреватель -дополнительное обеспечение горячего водоснабжения.

На рисунке 7 показана структурная схема системы типового автономного энергоснабжения на базе СФЭУ.

Рис.7. Структурная схема системы энергоснабжения типового автономного потребителя на базе СФЭУ

Для типового автономного потребителя были сформировали графики потребления электичеческой и тепловой энергии. Причем в электроческую нагрузку включалось нагрузка бытовых кондиционеров, потребляемая мощность которых определялась для каждого часа с учетом температуры воздуха.

Выходная мощность вакуумного коллектора описывается уравнением,

Вт.

= Аъ -ЛЛ - «1 - а2 АТ2) (5)

где А - площадь апертуры, м2 ; г|0- оптический коэффициент полезного действия без учёта потерь тепла, т.е. при равенстве максимально достижимой температуры нагрева жидкости Тт и температуры окружающей среды Та, о.е.;]^ № - интенсивность суммарного излучения в плоскости коллектора, Вт/м ; аг коэффициент тепловых потерь при температуре рабочей жидкости приведенной к температуре окружающей среды, Вт/м2-К; а2- температурная зависимость коэффициента тепловых потерь, Вт/м2-К2 ; АТ -разница температур между средней температурой рабочей жидкости в коллекторе (Тх) и температурой окружающей среды (Та), °К.

Г" 2 (6) где Тщ - температура холодной рабочей жидкости на входе в коллектор, °К; Тоц, - температура горячей рабочей жидкости на выходе из коллектора, °К.

Из представленных данных видно, что в самый напряжённый день для выработки около 80 % тепловой энергии достаточно трех ВСК типа 8СМ20-

13

58/1800. На рисунке 8 представлен суточный баланс мощности энергокомплекса на базе коллектора, электронагревателя для нужд ГВС (день с минимальным приходом СР).

время суток, час

1

2

3

4

5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324

в нагрузка ГВС , кВт

И мощность электронагревателя, кВт

■ мощность солнечных коллекторов, кВт

Рис.8. Суточный баланс мощности энергокомплекса на базе коллектора, электронагревателя для нужд ГВС (день с минимальным приходом СР)

На рисунке 9 представлен суммарный суточный график нагрузки типового автономного потребителя для характерных суток выхоного дня.

4.5 4 3.5

* 2 * 1.5 1 0.5 0

Рис.9. Суммарный суточный график нагрузки типового автономного потребителя для характерных суток выхоного дня

Были разработаны алгоритмы и программное обеспечение позволяющие рассчитать с часовым интервалом по известному приходу солнечной радиации и данных о температурах воздуха, параметры режима энергокомплекса.

Для определения электрической мощности, вырабатываемой СФЭУ используется формула

Эсфэу—Эуд -п ^-Лм (7)

где Эуд- удельный приход солнечной энергии на приемную площадку, кВт-ч/м2; п - количество солнечных модулей, шт; Рм -площадь одного солнечного модуля, м2; т|м- коэффициент полезного действия солнечного модуля с учетом влияния температуры.

і

№

ш

1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Время суток, ч

Алгоритм расчета СФЭУ:

ЭсФЭУ х Т)инв > Эп

эп - Эсфэу х т1„„ - эде хтіраз >0

эаб- эдб.осТ+с ЭсфЭУх ^1инв - Эп) X т)зар

эдб- эдб.ост - (Эп- эсфэух !]„„)/ т|РАЗ

3)

Эп - Эсфэу X Г)™, - ЭАБ ХТ]рдз <0

эбэу- эп - Эсфэу х г)ин1 - эае.остх т]раз

Эсфэу - энергия, получаемая от солнечных модулей, кВт.ч; Эдб - энергия, накопленная в аккумуляторной батарее, на период (t), кВт.ч; Эдб.ост -энергия, накопленная в аккумуляторной батарее, на период (t-1), кВт.ч; Эп -требуемая электроэнергия для дома, кВт.ч; ЭБЭУ - электроэнергия, покрываемая бензиновой энергоустановкой, кВт.ч; г|„нв- - коэффициент полезного действия инвертора, o.e.; г|зар,т1раз - коэффициенты заряда/разряда аккумуляторной батареи, o.e.

На рисунке 10 представлен суточный баланс энергии для 18 июня (без охлаждения СМ) СФЭУ(37 шт), АБ(5 шт).

РРР

9 10 1112 13 1415 16 17 18 19 20 21 2 время суток, час

И энергия для заряда

АБ (кВт.ч) О энергия для разряда АБ (кВт.ч) потребляемая энергия (кВт.ч) в энергия солнечных модулей (кВт.ч)

Рис.10. Суточный баланс энергии для 18 июня (день с минимальным приходом СР) (без охлаждения СМ) СФЭУ(37 шт), АБ(5 шт)

Расчеты проводились как для СФЭУ с обычными СМ, так и для СФЭУ с СМ, имеющими систему охлаждения. В первом случае требуется наличие 37 СМ, а во втором 26 СМ, т.е почти на 30 % меньше.

В пятой главе разработаны алгоритмы и програмное обеспечение для проведения оптимизации параметров энергоснабжения типового автономного по критерию минимума суммарных дисконтированных затрат. Суммарные дисконтированные затраты за расчетный период определяются по формуле:

г^Диск _ \ ' Трасч ^

£ ¿—I j=1 J

1 ^

1 + Є

(8)

где - Траоч - расчетный период; j-порядковый номер года; 3j - суммарные затраты по энергокомплексу за год j; є- норма дисконтирования -0,1.

Затраты на систему автономного энергоснабжения:

Зсфэу = Зсм+ Зинв+ Здб + Зкон+ Зкол + Зовсл +Знаг +Зконд +Зав+Збэу +Зсо (9)

Зобсл =5% (3см+ Зинв+ Здб + ЗКОн+ 3Кол +Знаг + Зконд+Зав+Збэу +Зсо) (10)

где Зсфэу - затраты системы автономного энергоснабжения, Зкол - затраты на ВСК, Збэу - затраты на БЭУ, 30бс -затраты на обслуживание, Зрем -затраты на ремонт, Зтоп - затраты на топливо, Знаг - затраты на электронагреватель, Зинв - затраты на инвертор, Здб - затраты на аккумулятор, 3Кон - затраты на контроллер, Зав - затраты на автоматику, Зконд - затраты на кондиционер, Зс.о - затраты на систему ожлаждения.

Для условий РСМ оказалось, что система энергоснабжения, использующая только СФЭУ, оказывается эффективнее использования БЭУ и имеет срок окупаемости 9 лет. Наиболее экономичной для современного уровня цены на топливо 1 $/л, даже для очень высокого уровня прихода CP, характерного для РСМ оказалась гибридная схема, состоящая из 22 СМ и небольшой БЭУ мощностью 2,5 кВт. Срок окупаемости для нее составляет 5,5 лет.

При наличии системы охлаждения в СМ, срок окупаемости энергокомплекса снизился с 5,5 до 4 лет при аналогичных условиях. Для условий Мьянмы использование СМ с системой охлаждения оказалась более экономически выгодной. На рисунке 11 показано сравнение нарастающего итога суммарных затрат для САЭС на базе БЭУ или СФЭУ(С.О)+БЭУ (без или с охлаждением СМ)

; 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

^год

Рис. 11. К сравнению нарастающего итога суммарных затрат для САЭС на базе БЭУ или СФЭУ(С.О)+БЭУ (без или с охлаждением СМ)

Кроме того, в работе рассматривался альтернативный вариант электроснабжения потребителей за счет ОЭС. Были рассчитаны суммарные дисконтированные затраты для возведения ЛЭП. Результаты представлены на рисунке 12. Наиболее эффективно для систем децентрализованного энергоснабжения использовать энергокомплексы на базе СФЭУ.

-лэп

-СФЭУ.СО+БЭУ -БЭУ

1 2 3 4 5 6 7

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Рис.12. Сравнение нарастающего итога суммарных затрат для САЭС на базе БЭУ, СФЭУ(СО)+БЭУ и централизованного энергоснабжения по ЛЭП.

В заключении диссертационной работы приведены основные результаты и выводы:

1. Сравнительный анализ данных ГМС "Мейтхила" и мировых БД "NASA" и "METEONORM", показал, что в случае отсутствия или неполноты данных ГМС допустимо использовать мировые БД, при этом расхождение в среднемесячных значениях прихода CP не превышает 6-14%.

2. Расчеты экономической эффективности использования схем энергоснабжения на основе СФЭУ (с учетом снижения КПД из-за повышения температуры окружающей среды) имеют следующие показатели: срок окупаемовти 5,5 лет и расчетные дисконтированные затраты на 34 % меньше, чем при снабжении от БЭУ, и на 56,9 % меньше чем затраты на подключение к ОЭС.

3. Несмотря на достаточно высокий и стабильный приход солнечной радиации в течении года, наиболее экономически целесообразной оказалась гибридная схема, включающая СМ (22шт), БЭУ и АБ (5 шт).

4. Исследование влияния различных экономических факторов на эффективность схем энергоснабжения на основе СФЭУ показал:

- возможная тенденция изменения цены на топливо с 1,2 $/л до 1 $/л уменьшит срок окупаемости энергокомплекса с 5,5 лет до 4 лет.

- наблюдаемое в последнее время резкое снижение цены на СМ с 2,5 $/Вт до 2 $/Вт уменьшит срок окупаемости с 5,5 лет до 4 лет.

5. Для уменьшения влияния высокой температуры воздуха РСМ на энергетические показатели СФЭУ, целесообразно использование системы охлаждения СМ, которая позваляет избежать снижения КПД, решить проблему горячего водоснабжения и уменьшить срок окупаемости системы энергоснабжения с 5,5 до 4 лет.

6. Исследование влияния различных экономических факторов на эффективность схем энергоснабжения на основе СФЭУ с учетом охлаждения СМ показал::

- возможная тенденция изменения цены на топливо с 1,2 $/л до 1 $/л уменьшит срок окупаемости энергокомплекса с 4 до 2,5 лет.

- наблюдаемое в последнее время резкое снижение цены на СМ с 2,5 $/Вт до 2 $/Вт, уменьшит срок окупаемости с 4 до 2,5 лет.

7. Поскольку приход СР в различных районах Мьянмы достаточно стабилен и не сильно отличается от соотевтствующих показателей исследуемого региона, то выводы об эффективности использования СФЭУ для энергоснабжения автономных потребителей может быть распространен для всей территории страны.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Йе Вин, Виссарионов В.И, Кузнецова В.А. Оптимизация параметров системы энергоснабжения с использованием солнечной энергии для автономного потребителя в республике Мьянма // Вестник МЭИ. 2012, № 5.42-49 с.

2. Йе Вин, Виссарионов В.И. Использование солнечной энергии для энергоснабжения автономного потребителя, расположенного в районе Мейтхила республики Мьянмы // Научно-тенхническое творчество молодежи

- путь к обществу, основанному на знаниях: Моевка, ВВЦ, 2010. 397-398 с

3. Йе Вин, Виссарионов В.И. Эффективное использование солнечной энергии для энергоснабжения автономного потребителя в республике Мьянма // Седьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием, "Возобновляемые источники энергии", Москва, МГУ, 2010, 184-186 с.

4. Йе Вин, Виссарионов В.И. Исследование эффективности

фотоэлектрических систем с системой охлаждением для энергоснабжения

19

с

жилого дома в республике Мьянма // Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Москва, МЭИ, 2011,391 -392 с.

5. Йе Вин, Виссарионов В.И. Исследование системы использования холодоснабжения дома в системах энергоснабжения автономных потребителей в центральной части Мьянмы // Научно-тенхническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: Моевка, ВВЦ, 2011.462 с

6. Йе Вин, Виссарионов В.И. Исследование влияния изменения температуры фотоэлектрической системы на энергоснабжение автономных потребителей в республике Мьянмы // Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Москва, МЭИ, 2012,427 с.

7. Ие Вин, Виссарионов В.И. Исследование эффективности использования солнечного коллектора для энергоснабжения автономных потребителей в республике Мьянмы // Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Москва, МЭИ, 2012,428 с.

8. Йе Вин, Виссарионов В.И. Исследование влияния температуры характеристики фотоэлектрических преобразователей // Научно-тенхническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: Моевка, ВВЦ, 2012.486 - 488 с.

9. Йе Вин, Виссарионов В.И. Исследование системы автономного электроснабжения на базе солнечных фотоэлектрических установок в республике Мьянме // Восьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием, "Возобновляемые источники энергии", Москва, МГУ, 2012.

Печ.л. Ш Тираж (00_ Заказ №

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13

♦ 20

i

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

На правах рукописи

04201356973

Ие Вин

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ В РЕСПУБЛИКЕ СОЮЗА МЬЯНМА

Специальность 05.14.08

«Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Виссарионов В.И.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................................5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................7

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫ

РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ РСМ......................................................................................................14

1.1 Общее положение..........................................................................................................................14

1.1.1 География страны......................................................................................................14

1.1.2 История страны............................................................................................................16

1.1.3 Климат..................................................................................................................................16

1.1.4 Население........................................................................................................................17

1.1.5 Политическая система..........................................................................................17

1.1.6 Экономическое и экологическое положение РСМ........................18

1.2 Развитие электроэнергетики РСМ..................................................................................18

1.2.1 Общие положения......................................................................................................18

1.2.2 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии РСМ........................:........................................................................................22

1.3 Современное состояние и перспективы развития солнечной энергетики мира и стран Азии........................................................................................27

1.4 Выводы по первой главе..........................................................................................................40

ГЛАВА 2. ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ........................................................41

2.1 Перспективы развития и применения систем автономного электроснабжения на базе солнечной энергии....................................................41

2.2 Возможность использования солнечной энергии в РСМ..........................42

2.2.1 Общие положения......................................................................................................42

2.2.2 Ресурсы солнечной энергии в районе Мейтхиле в РСМ..........43

Сравнения данных ГМС "Мейтхила" и БД "NASA", БД

223 "METEONORM"........................................................................................................51

2.3 Исследование влияния угла наклона приемной площадки на приход солнечной радиации................................................................................................57

2.4 Выводы по второй главе......................................................................................................64

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА

ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ..........................................................66

3.1 Общие положения......................................................................................................................66

3.1.1 Эквивалентная схема замещения фотоэлемента..........................66

^ j 2 Влияние интенсивности солнечного излучения на

энергетические характеристики СЭ......................................................69

3.1.3 Влияние температуры на энергетические характеристики

СЭ..............................................................................................................................................70

3.2 Исследование влияния температуры на КПД солнечного модуля 72

3.2.1 Общие положения........................................................................................................72

3.2.2 Методы расчета рабочей температуры поверхности 73

солнечного модуля..................................................

3.2.3 Анализ и сравнение методов расчета рабочей температуры поверхности солнечного модуля..............................73

3.2.4 Методы расчета рабочей температуры поверхности солнечного модуля в зависимости скорости ветра......................76

3.3 Анализ изменения температуры окружающей среды в Мьянме... 77 ^ ^ Исследование эффективности фотоэлектрических систем с

системой охлаждением................................................................................................................79

3.4.1 Модели системы водяного охлаждения для солнечного модуля..............................................................................................................................79

3.4.2 Выявление параметров, влияющих на эффективность охлаждения солнечного модуля..................................................................82

3.4.3 Сравнительный анализ СМ с системой водяного охлаждения и без нее................................................................................................89

3.5 Выводы по третьей главе........................................................................................................93

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ..................................................................................................................................................................................94

4.1 Общие положения......................................................................................................................94

4.2 Графики нагрузки автономного потребителя....................................................95

4.2.1 Электрическая нагрузка автономного потребителя....................95

4.2.2 Горячее водоснабжение на основе солнечных коллекторов. 95

4.2.3 Расчет электрической нагрузки на охлаждение..............................96

4.3 Схема системы автономного электроснабжения............................................97

4.4 Модели элементов системы автономного электроснабжения..............100

4.4.1 Солнечная фотоэлектрическая установка(СФЭУ)........................100

4.4.2 Вакуумные солнечные коллекторы (ВCK)..........................................101

4.4.3 Аккумуляторной батарей....................................................................................103

4.4.4 Инвертора........................................................................................................................104

4.4.5 Контроллер заряда аккумуляторных батарей....................................105

4.4.6 Кондиционер..................................................................................................................................106

4.4.7 Резервный источник энергии........................................................................106

4.5 Состав исследование..................................................................................................................107

4.5.1 Определения количества вакуумных солнечных коллекторов........................................................................................................................................................107

4.5.2 Расчет количества фотоэлектрических модулей..........................110

4.6 Выводы по четвертой главе................................................................................................116

ГЛАВА. 5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И АЛГОРИТМ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОНОМНОГО

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ..............................................................................................................................117

5.1 Выбор параметров схемы......................................................................................................117

5.2 Расчет суммарных дисконтированных затрат................................................118

5.3 Сравнительный анализ дисконтированных затрат 127

энергокомплекса на базе СФЭУ без и с системой охлаждения.... 5.4 Сравнительный анализ использования солнечной энергии и

централизованного электроснабжения..................................................................128

5.4.1 Общие положения....................................................................................................128

5.4.2 Основные расчетные соотношения............................................................128

5.5 Выводы по пятой главе............................................................................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................131

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕИОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЯ 1. Место расположения Мейтхила и её площадь........................142

ПРИЛОЖЕНИЯ 1.1. Рост КПД солнечных фотоэлектрических

преобразователей....................................................................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЯ 2. Коэффициент пересчета с прямой горизонтальной

приемной площадки на наклонную и приход суммарная солнечная энергия 144

ПРИЛОЖЕНИЯ 3. Структурная схема системы охлаждения....................................150

ПРИЛОЖЕНИЯ 4. Суточная суммарная нагрузка для одного дня..................151

ПРИЛОЖЕНИЯ5. Суммарные дисконтированные затраты при

использовании БЭУ, СФЭУ + БЭУ, СФЭУ(С.О) + БЭУ и ЛЭП..............................152

NASA - National Aeronautics and Space Administration;

АБ - Аккумуляторный батарей;

БЭУ - Бензиновые энергоустановки;

ВАХ - Вольт-амперные характеристики;

ВВХ - Вольт-ватные характеристики;

ВИЭ - Возобновляемые источники энергии;

ВСК - Вакуумный солнечный коллектор;

ГВС - Горячее водоснабжение;

ГМС - Гидрометеорологическая станция;

ГТУ - Газотурбинные энергоустановки;

ГЭС - Гидроэлектростанции;

КПД - Коэффициент полезного действия;

ЛЭП - Линия электропередача;

ОЭС - Объединенная электрическая сеть;

РСМ - Республика Союза Мьянма;

САЭС - Система автономного электроснабжения;

СИ - Солнечное излучение;

СМ - Солнечный модуль;

СО - Система охлаждения;

СОСМ - Система охлаждения солнечного модуля; CP - Солнечная радиация;

СФЭС - Солнечные фотоэлектрические станции; СФЭУ - Солнечная фотоэлектрическая установка; СЭ - Солнечный элемент; СЭС - Солнечные электростанции;

ТЭС - Тепловые энергоустановки; ЭЭ - Электроэнергия ;

ВВЕДЕНИЕ

Более 71% населения Республики Союза Мьянма (РСМ) живет в районах децентрализованного или ненадежного централизованного энергоснабжения. Энергообеспечение потребителей этих районов традиционно осуществляется с применением автономных бензиновых электростанций. Однако их работа наносит ощутимый вред экологической обстановке и сопряжена со значительными материальными затратами на топливо и его доставку.

Альтернативой бензиновым электростанциям могут выступать системы на основе солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), преобразующих экологически чистый источник возобновляемой энергии (ВИЭ) - солнечное излучение (СИ), что подтверждается оценкой солнечных ресурсов PCM, а также опытом некоторых азиатских стран, где уже сейчас широко применяются СФЭУ.

Проведено исследование эффективности использования схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭУ. Выявлен их характерный состав и параметры при учете климатических особенностей РСМ (колебания среднесуточной температуры составляет от 18°С до 32°С). В работе исследуется изменение эффективности использования солнечной энергии при условия жаркого климата РСМ. Кроме того, рассмотрены методы снижения влияния температуры на энергетические характеристики солнечных модулей. В работе дана оценка эффективности использования системы охлаждения (СО) солнечных модулей (СМ).

В работе анализируется схема энергоснабжения в состав которой входит: СФЭУ (в качестве источника элктрической энергии); вакуумные солнечные коллекторы (ВСК) (для обеспечения горячего водоснабжения); кондиционер для охлаждения помещений потребителя. В качестве источника резервного или дополнительного электроснабжения предусмотрено использование бензиновой

энергоустановки (БЭУ). Для перераспределения солнечной энергии во времени, в схему включены аккумуляторные батареи (АБ).

Были рассмотрены различные схемы энергоснабжения потребителя и параметры их элементов с применением традиционных невозобновляемых и возобновляемых источников энергии. Проведено технико-экономическое сравнение вариантов по критерию минимума суммарных дисконтированных затрат с целью определить наиболее эффективную схему.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью энергообеспечения потребителей, живущих в удалённых районах, вырабатываемой системами автономного электроснабжения на базе СФЭУ.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании эффективности использования солнечной энергии в системе энергоснабжения автономных потребителей в РСМ.

Основные задачи исследований:

Для достижения поставленной цели в работе представлены сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов для условий РСМ;

2. Разработка и обоснование оптимальной структуры системы энергоснабжения типового автономного потребителя РСМ с использованием СФЭУ;

3. Исследование путей повышения эффективности энергетических характеристик СФЭУ с учетом климатических условий РСМ;

4. Исследование влияния технико-экономических факторов на экономическую эффективность использования СФЭУ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние температуры на энергетические характеристики солнечных модулей, показано, что в условия РСМ КПД солнечного модуля снижается до 12%;

2. На основе разработанного математического и программного обеспечения для расчетов оптимальных параметров энергокомплекса для энергоснабжения типового автономного потребителя с использованием солнечных фотоэлектрических установок и солнечных коллекторов, показана экономическая целесообразность применения солнечной энергии в условия РСМ;

3. Показано, что применение системы охлаждения солнечного модуля в условиях РСМ позваляет на 17 % повысить КПД солнечного модуля, отказаться от применения сонечного коллектора для получения горячей воды, что в целом приводит к уменьшению суммарных дисконтированных затрат по энергокомплексу на 42,2%.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования разработанных оценок и рекомендаций специалистами РСМ при планировании развития экономической и энергетической отрасли страны. Разработаны методики и программное обеспечение, позволяющие определить параметры элементов системы автономного энергоснабжения (САЭС) на базе СФЭУ в РСМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Исследовано влияние температуры на энергетические и экономические характеристики энергокомплекса для условий РСМ;

2. Разработаны алгоритмы и программы выбора и обоснования основных энергетических параметров систем энергоснабжения типового автономного потребителя РСМ на основе использования солнечной

фотоэлектрической установки с учетом влияния температуры окружующей среды;

3. Показана эффективность использования солнечных коллекторов для систем горячего водоснабжения в РСМ;

4. Показано, что в условиях жаркого климата РСМ для уменьшения влияния температуры на энергетические характеристики солнечных модулей экономически целесообразно использовать систему водяного охлаждения солнечного модуля с последующей подачей нагретой воды для бытовых нужд потребителя;

5. Показано, что современые тенденции роста цены на топливо и снижения цен на солнечные модули позволяют рассчитывать на срок окупаемости 4-5,5 года, что делает использование солнечной энергии весьма перспективным для РСМ, а рузультаты работы могут быть использованы при разработке перспективных программ развития энергетики страны.

Апробация работы. Результаты выполненной работе докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Вторая международная научно -практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦ; научный семинар на кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ». Седьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» в МГУ; Семнадцатая международная научно — техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ»; Третья международная научно - практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦ; научный семинар на кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ». Восемнадцатая международная научно - техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ»;Четвертая международная научно - практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦ;

и

научный семинар на кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ». Восьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» в МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК. Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Йе Вин, Виссарионов В.И, Кузнецова В.А. Оптимизация параметров системы энергоснабжения с использованием солнечной энергии для автономного потребителя в республике Мьянма // Вестник МЭИ. 2012, № 5. 42-49 с.

2. Ие Вин, Виссарионов В.И. Использование солнечной энергии для энергоснабжения автономного потребителя , расположенного в районе Мейтхиле республики Мьянмы // Научно-тенхническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: Моевка, ВВЦ, 2010. 397-398 с

3. Ие Вин, Виссарионов В.И. Эффективное использование солнечной энергии для энергоснабжения автономного потребителя в республике Мьянма // Седьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием, "Возобновляемые источники энергии", Москва, МГУ, 2010, 184 -186 с.

4. Йе Вин, Виссарионов В.И. Исследование эффективности фотоэлектрических систем с системой охлаждением для энергоснабжения жилого дома в республике Мьянма // Семна�