автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Исследование эффективности схем энергоснабжения автономных потребителей в Африке на основе солнечной фотоэлектрической станции и электрохимических накопителей энергии

На правах рукописи

Кпау Зондже Раймонд

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В АФРИКЕ НА ОСНОВЕ СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАЦИИ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Специальность: 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МАП 2014

Москва - 2014 1

005548276

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Нефедкин Сергей Иванович

Официальные оппоненты: Сергеевич

доктор технических наук, профессор

Объединенный институт высоких температур РАН, заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии и энергосбережения

Тюхов Игорь Иванович кандидат технических наук, доцент

Московский государственный машиностроительный

университет,

исполнительный директор кафедры ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств»

Ведущая организация: МГУ им. М.В.

Ломоносова, лаборатория

возобновляемых источников энергии географического факультета.

Защита диссертации состоится 27 июня 2014 г. в 13 часов 30 минут в аудитории Г-200 на заседании диссертационного Совета Д 212.1 п.из Национального исследовательского университета "МЭИ" по адресу, ул. Красноказарменная, д. 17

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке и на сайте Национального исследовательского университета "МЭИ" (http://www.mpei.ru/)

Автореферат разослан «_» 2014 г.

Председатель диссертационного совета

Д212 157.03 у^Ж^У Жуков В.В.

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В 1 соответствии с прогнозом Международного энергетического агентства (МЭА) к 2030 г. на возобновляемые источники энергии будет приходиться 29% производства электроэнергии и 7% производства моторного топлива. Африканский континент имеет колоссальные ресурсы солнечной энергии и очевидно, что развитие экономик Африканских стран должно быть связано с использованием солнечной энергии (СЭ). Несмотря на относительную дороговизну фотоэлектрических преобразователей, солнечная энергетика развивается сегодня самыми высокими темпами по сравнению с другими ВИЭ (50-60% в год). Все ведущие страны Африки имеют программы продвижения ВИЭ. Например, в планах решениях министерства энергетики Кот-д'Ивуара намечено довести долю ВИЭ до 5 % к 2015 году, до 15 % к 2020 году и до 20 % к 2030 году.

Гарантированное автономное энергоснабжение потребителей малой и средней мощности может быть организовано за счет использования солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС). Однако при разработке схем энергоснабжения на основе СФЭС необходимо учитывать сезонную и суточную неравномерность по приходу солнечной энергии для различных регионов Африканского континента, а также необходимость использования накопителей энергии и источников тока для покрытия дефицита электроэнергии в темное время суток. Наиболее удобными являются электрохимические накопители - аккумуляторные батареи (АБ), водородные накопители с использованием электрохимических преобразователей -топливных элементов (ТЭ) и электролизных установок (ЭУ).

В работе проведено исследование и расчет схем энергоснабжения автономных потребителей на основе СФЭС для 3 характерных географических точек Африки (на юге, экваторе и севере континента) с использованием электрохимических накопителей. На основе разработанных алгоритмов и программ выполнены расчеты и показаны варианты наиболее энергоэффективных и экономичных схем энергоснабжения, даны рекомендации по их реализации и оснащению оборудованием типовых потребителей. Проведено технико-экономическое сравнение различных схем энергоснабжения по критерию приведенной стоимости вырабатываемой электроэнергии.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью энергообеспечения потребителей, в том числе живущих в удалённых районах, с использованием системам автономного энергоснабжения на базе СФЭС и электрохимических накопителей энергии.

Цель диссертационной работы заключается в повышении энергетической эффективности использования солнечной энергии в схемах энергоснабжения автономных потребителей, находящихся в различных точках Африканского континента.

Основные задачи исследований:

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

1. Анализ и выбор информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов для характерных регионов на юге, экваторе и севере Африканского континента;

2. Сравнительный расчет традиционных и альтернативных схем автономного энергоснабжения автономного потребителя с преобладанием нагрузки вне светового дня на основе СФЭС мощностью 4 МВт для трех характерных географических точек Африки. Выработка рекомендаций по реализации схем в различных районах Африки.

3. Разработка алгоритма и программы для расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии. Использование данной программы для расчета параметров данной схемы энергоснабжения типового потребителя (коттеджа), находящегося в 3-х характерных географических точках Африканского континента.

4. Расчет приведенной стоимости генерируемой электрической энергии (Levelized Cost of Energy) и обоснование эффективности традиционных и альтернативных схем автономного энергоснабжения типового потребителя с преобладанием нагрузки внутри светового дня (школа), находящегося вблизи экватора (в Кот-д'Ивуаре).

5. Обоснование схем автономного энергоснабжения потребителей с различным графиком нагрузки и уровнем потребляемой мощности применительно к географическим и экономическим условиям республики Кот-д'Ивуара.

Научная новизна:

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние географического фактора на выбор схемы энергоснабжения типового потребителя с преобладанием нагрузки вне светового дня и показано, что накопление избытка энергии в аккумуляторных батареях целесообразно для такого потребителя, расположенного вблизи экватора (экономия более 20%), а для регионов Северной и Южной Африки более предпочтительной является схема водородного аккумулирования энергии.

2. Учет в расчетах эффективности схем энергоснабжения зависимости к.п.д. энергоустановки (топливного элемента, АБ, дизель-генератора) от нагрузки показывает, что эффективность схем с использованием электрохимических преобразователей возрастает на 30-40 % по сравнению со схемами на основе дизель-генератора.

3. Разработаны алгоритм и программа для расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии, учитывающие отбор водорода на получение тепловой энергии (газовая плита, каталитический обогреватель), а также зависимость к.п.д. энергоустановки от текущей нагрузки.

4. С использованием методики расчета приведенной стоимости энергии, LCOE (англ. - Levelized Cost of Energy) на период 20 лет найдены оптимальные глубины разряда аккумуляторных батарей в схемах автономного энергоснабжения на основе СФЭС, позволяющие минимизировать на аккумуляторные батареи.

Достоверность п обоснованность результатов.

Приведенные в диссертационной работе данные и выводы базируются на использовании современных методов и программ численных исследований, а также на соответствии полученных результатов расчетов результатам, опубликованных другими авторами.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования специалистами разработанных схем энергоснабжения, также оценок и рекомендаций при реализации проектов энергоснабжения на основе использования СФЭС. Разработаны методики и программное обеспечение, позволяющие определять параметры схем и оборудования для автономного энергоснабжения потребителя на базе СФЭС применительно к потребителям, находящимся в Кот-д'Ивуаре и других регионах Африки. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования влияния географического фактора на выбор схемы энергоснабжения с использованием СФЭС и электрохимических преобразователей для потребителей, расположенных на севере, экваторе и юге Африканского континента.

2. Необходимость учета в расчетах схем автономного энергоснабжения зависимости к.п.д. энергоустановки (топливного элемента, АБ, дизель-генератора) от нагрузки, которая позволяет повысить достоверность расчетов и показывает более высокую эффективность схем с использованием электрохимических преобразователей по сравнению со схемами на основе дизель-генератора.

3. Разработанные алгоритмы и программы для расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии, учитывающие отбор водорода на покрытие тепловой нагрузки потребителя (газовая плита, каталитический обогреватель), а также зависимость к.п.д. энергоустановки от текущей электрической нагрузки.

4. Расчет приведенной стоимости электроэнергии для 4-х схем энергоснабжения на срок их эксплуатации 20 лет для типовой школы в Кот-д'Ивуаре.

5. Результаты расчета оптимальной глубины разряда аккумуляторных батарей с схемах автономного энергоснабжения на основе СФЭС по критерию минимальной приведенной стоимости энергии за 20 лет эксплуатации.

6. Обоснование перспективности схемы энергоснабжения на основе использования СФЭС и водородного накопления энергии, которая для потребителей с преобладанием нагрузки внутри светового дня уже в ближайшее время будет

экономически конкурентоспособна с традиционными схемами автономного энергоснабжения на основе использования дизель-генератора и АБ.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на П и П1 Международных Симпозиумах по Водородной энергетике (2007, 2009, Москва); 5-й и 7-й международных школах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», НИУ МЭИ, (2010, 2012 гг.), конференции молодых ученых МГУ «Возобновляемые источники энергии» 2012 г., Первом международном форуме «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности» (КЕЕМР<Ж-2013), РАН, Москва 22-23 октября 2013 г

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, две из которых опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 165 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 30 таблиц. Список литературы включает 153 наименования.

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 ВИЭ в мире и на Африканском континенте. Сегодня вклад всех видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировое производство электроэнергии составляет около 22%, из них на гидроэнергетику приходится около 17%, а на другие ВИЭ несколько больше 5%. Проведенные экспертами оценки запасов углеводородного сырья показали, что на начало 2012 г. расчетный период обеспеченности мировой экономики по нефти составлял - 54 года, по природному газу - 64 года, по углю - 112 лет. Темпы энергопотребления сегодня составляют около 1% в год для развитых стран и около 6 % для развивающихся стран. При этом почти 20% населения Земли (1,4 млрд. чел) еще не имеют доступа к электроэнергии, а 40% традиционно используют биомассу для приготовления пищи. Таким образом, другого пути развития кроме расширения доли ВИЭ в структуре производства электроэнергии сегодня нет. Наибольшие инвестиции в 2012 году отмечены в солнечной энергетике - 140 млрд.$, а также в ветроэнергетике - более 80 млрд. $ США. В солнечной энергетике инвестиции были направленны, прежде всего на создание крышных фотоэлектрических установок в Германии, Италии и Великобритании, а также на строительство нескольких солнечных тепловых электростанций в Испании и в США. Африканский континент имеет колоссальные ресурсы солнечной энергии. Логично, если прирост производства энергии здесь будет осуществляется за счет использования возобновляемых источников энергии.

Рассмотрены фотоэлектрические преобразователи энергии, методы и системы накопления электрической энергии. Особое внимание уделено современному состоянию электрохимических методов аккумулирования энергии, аккумуляторным батареям, проточным редокс батареям, супер конденсаторам, системам водородного аккумулирования энергии, электролизерам и системам хранения водорода.

Рассмотрены энергоустановки для автономного энергоснабжения работающие, как на органическом топливе (дизель-генераторы, газопоршневые агрегаты, электростанции на основе микро турбин), так и современные энергоустановки на основе водород-воздушных топливных элементах. На основе проведенного анализа выбраны наиболее предпочтительные компоненты схем для автономного энергоснабжения на основе использования СФЭС и электрохимического аккумулирования энергии (аккумуляторные батареи и водородное аккумулирование энергии).

Во второй главе рассмотрено влияние географического фактора на эффективность схем энергоснабжения на основе СФЭС для автономного потребителя на севере, экваторе и юге Африки. В данной части работы ставилась задача произвести расчет количества жилых домов (с преобладанием нагрузки вне светового дня), энергоснабжение которых гарантированно обеспечивает фотоэлектрическая солнечная электростанция пиковой мощностью 4 МВт и электрохимическим накоплением энергии.

Рассмотрены 2 схемы энергоснабжения с электрохимическим накоплением энергии: Схема 1 (СФЭС+АБ) Выработка электрической энергии централизованно на СФЭС с пиковой мощностью 4 МВт, передача ее по локальной сети к домам потребителей для энергоснабжения в светлое время суток, а также накопление в аккумуляторных батареях (АБ) и использование для энергоснабжения в темное время суток. Схема 2 (СФЭС+Н?). Выработка электрической энергии централизованно на СФЭС пиковой мощностью 4 МВт, передача ее по локальной сети к домам потребителей, для потребления в светлое время суток, также накопления энергии в водороде за счет его производства в электролизной установке (ЭУ) и централизованная генерация электроэнергии в топливных элементах (ТЭ) для энергоснабжения в темное время суток. Для более эффективного использования СЭ и снижения мощности ТЭ производился отбор водорода на получение для нужд потребителя тепловой энергии (газовая плита, каталитический обогреватель).

Расчет проведен с учетом географического расположения потребителя и фактора неравномерности поступления солнечной энергии в суточном и годовом разрезе для трех городов Африканского континента.

» на севере - г. Алжир (Алжир) (ср° = +36,75°),

• в районе экватора - г. Абиджан (Кот д'Ивуар) (ср° = 5,39°),

• на юге-г. Претория (ЮАР) (<р° =-25,44°).

Как видно из рис. 1 видно, что для выбранных городов поступление солнечного излучения в этих городах примерно в 1,5 раза превосходит аналогичный показатель для городов Европы.

Показано, что при накоплении избытка энергии в аккумуляторных батареях такой энергокомплекс может обеспечить энергоснабжение 1640 домов в г. Абиджан (Кот- д'Ивуар), 1257 домов в г. Алжир (Алжир) и 1482 домов в г. Претория (ЮАР). Таким образом, схема 1 на 10-30 % более эффективна для потребителей, расположенных вблизи экватора, т.е. с минимальной сезонной неравномерностью поступления солнечной радиации.

Рис.1, а) Среднегодовой суточный приток солнечного излучения (кВт/м2 сут): 1 - Абиджан; 2 - Алжир; 3 - Претория; 4 - Москва; 5 - Париж; 6 - Мюнхен; 7 - Сочи; 8 - Краснодар б) Электрическая энергия, запасаемая в водороде в схеме на основе СФЭС мощностью 4 МВт и водородном аккумулировании энергии: 1 - г. Алжир; 2 - г. Абиджан; 3 - г. Претория

Использование электрохимических устройств (электролизной установки и энергоустановки на топливных элементах) с накоплением энергии в водороде позволяет существенно снизить материалоемкость такого энергетического комплекса, однако его стоимость существенно зависит от стоимости электрохимических элементов и эффективности преобразования энергии при ее аккумулировании в виде водорода. Показано, что водородное накопление энергии, напротив, целесообразно использовать, когда потребитель расположен в месте с наиболее высоким фактором сезонной неравномерности по приходу солнечной радиации. Сравнительные расчеты с традиционной схемой автономного энергоснабжения на основе дизель-генератора (ДГ и СФЭС+ДГ) на привозном топливе показали, что сегодня она остается самой экономичной по капиталовложениям. Однако, при этом необходимо принимать специальные меры по защите потребителя от шума и выбросов токсичных газов. При расчете на 20 лет эксплуатации с учетом стоимости оборудования и закупаемого

8

топлива схема автономного энергоснабжения на основе водородного аккумулирования уже в ближайшее время будет экономически сопоставима. Такие расчеты для потребителя, находящегося в Кот-д'Ивуаре, представлены в главе 4.

В третьей главе приведены результаты разработки алгоритма и программы SEH (Solar Energy in Hydrogen) для расчета схем автономного потребителя на основе солнечной электростанции и водородного аккумулирования энергии. Принцип работы схемы для энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии поясняется схемой, показанной на рисунке 2.

Солнечная фотоэлектрическая электростанция в светлое время суток вырабатывает электрическую энергию постоянного тока, которая частично направляется потребителю для покрытия текущей нагрузки. Часть этой энергии непосредственно используется приемниками постоянного тока, а часть преобразуется с помощью инвертора в переменный ток для покрытия нагрузки приемников переменного тока. Избыток энергии от солнечной фотоэлеюрической станции направляется в электролизер для производства водорода. Водород накапливается в ресивере при давлении, равном рабочему давлению электролизера (10 или 30 бар). Из ресивера, водород поступает непосредственно потреблению для покрытия тепловой нагрузки (водородные каталитический обогреватель и плита), а также в топливный элемент для покрытия суточного дефицита электроэнергии.

Запасенный в период избытка солнечной энергии можно разделить на две части:

- «суточный водород», который расходуется в топливном элементе в течение суток (или нескольких суток в отсутствии солнца) непосредственно для дефицита электроэнергии;

- «сезонный водород», который поступает в систему хранения для длительного хранения (несколько месяцев) и используется в неблагоприятный период для восполнения дефицита суточного водорода;

Процессы производства, преобразования, распределения и потребления энергии контролируются с помощью солнечного контроллера и блок автоматики. Исходными данными для программы являются базы данных "METEONORM" по приходу солнечной энергии для каждого часа года, суточный график нагрузки (СГН) потребителя, также параметры используемого оборудования (мощность единичного солнечного модуля, мощность и к.п.д. инвертора, номинальная мощность топливного элемента, его к.п.д. при номинальном режиме, зависимость к.п.д. топливного элемента от нагрузки, номинальная производительность электролизной установки по водороду,его энергопотребление при номинальной производительности, зависимость к.п.д. преобразования в электролизной установке от нагрузки, параметры компрессора и системы хранения водорода

Рисунок 2. Структурная схема энергоснабжения автономного потребителя на основе солнечной фотоэлектрической электростанции и водородного аккумулирования

Программа SEH для каждого часа текущих суток рассчитывает количество генерируемой энергии одним солнечным модулем в зависимости от солнечной энергии, поступающей в текущий час и энергии, которая направляется потребителю (суточный график нагрузки потребителя). Таким образом, дня каждого часа формируется значение часового избытка/дефицита энергии. Избыток энергии переводится в водород с учетом текущего значения к.п.д. преобразования в электролизной установке ц,**. Дефицит энергии для потребителя восполняется электрической энергией, вырабатываемой топливным элементом из запасенного водорода с учетом текущего значения к.п.д. преобразования в топливном элементе

тэ % •

Годовой баланс электрической энергии, накапливаемой в водороде и потребляемой из водорода рассчитывался по формуле:

Е8784 СМ СВ ч эу ^,8784, _ТЭ, ТЭ „ ВП

t=1(n*Et -Et *V*V = 2t=i(Et +Et } (1)

t - текущее время с дискретностью 1 час (t=l - 8784 час)

Е,™- часовая энергия, вырабатываемая одним солнечным модулем (загружается из баз данных "METEONORM" для данной географической точки)

п - количество солнечных модулей солнечной электростанцией

Е(СВ- часовая энергия, потребляемая в светлое время суток (загружается из графика

нагрузки потребителя).

Е " - энергия, вырабатываемая в энергоустановке на топливных элементах для покрытия дефицита электроэнергии в темное время суток (для текущего часа) Е(энергия, запасенная в водороде и поступающая в водородные каталитический обогреватель или плиту (тогда принимается график нагрузки с учетом экономии на

электрическую плиту и электрические обогреватели). Если для этих целей водород не

вп

запасается, то принимаем Е( =0 ц„- к.п.д. инвертора

11," (№э) - к.п.д. топливного элемента в текущий час (зависит от текущего значения мощности)

(Ыэу) - к.п.д. преобразования в электролизной установки в текущий час (зависит от текущего значения производительности)

В расчетах принято, что к.п.д. электрохимических преобразователей

Сц" и ) линейно зависит от значения текущей часовой мощности, потребляемой в электролизной установке или генерируемой в топливном элементе Ы3^. При этом максимальные значения мощности топливного элемента >Гэмакс берется для максимального значения мощности из суточного графика нагрузки.Максимальную производительность электролизной установки V3* Макс определяют из максимальной мощности, вырабатываемой СФЭС в самый благоприятный период за вычетом потребляемой мощности в этот период.

Важным аспектом разрабатываемой программы является учет зависимости к.п.д. энергоустановки от нагрузки. На рисунке 3 приведена зависимость к.п.д. электрохимических преобразователей, а также дизель-генератора от значения текущей мощности. Как видно, наибольший к.п.д. преобразования имеет аккумуляторная батарея. Здесь все активные вещества находятся непосредственно в АБ и поэтому процессы заряда-разряда протекают на электродах одного устройства. Однако, особенность процессов в аккумуляторных батареях такова, что плотности тока процессов заряда-разряд в АБ на 1-2 порядка ниже, чем в водород-воздушном топливном элементе и электролизной установке

Как видно, в отличие от тепловых машин, к.п.д. электрохимических преобразователей растет с уменьшением нагрузки. Т.к. большую часть времени топливный элемент и электролизная установка работают при значениях мощности меньше номинальной, то их энергетическая эффективность будет выше. Этот факт является важным, т.к. в случае использования электрохимических преобразователей в схемах автономного энергоснабжения на основе СФЭС будет иметь место существенная экономия солнечной энергии (снижение числа панелей), т.к. генерирующие устройства (топливные элементы, АБ, дизель-генератор) в основном

работают при неполной нагрузке, определяемой суточным графиком нагрузки потребителя. Напротив, в случае использования схемы СФЭС- ДГ учет зависимости к.п.д. ДГ от нагрузки будет приводить к существенному повышению числа солнечных панелей, рассчитанных исходя из расхода топлива при номинальной мощности ДГ.

Значения к.п.д. электрохимических преобразователей при частичной нагрузке в первом приближении выражены линеаризованной зависимостью.С учетом этой зависимости для текущих значений мощности (потребляемой в электролизной установке Т<РУ( или генерируемой в топливном элементе >Г"\ ), а также энергии, поступающей от СФЭС Е,см в каждый час и за сутки в целом, по формуле (1) рассчитывается годовой баланс энергии при ее накоплении в водороде.

Рисунок 3. Зависимость электрического к.п.д. электрохимических преобразователей и дизель генератора от нагрузки. ТЭ-топливный элемент; ЭУ-электролизная установка; АБ-аккумуляторная батарея; ДГ- дизель-генератор; ть х тьУ - к.п.д. водородного преобразования (электроэнергия-водород-электроэнергия)

В итоге можно определить необходимое количество солнечных модулей п, мощность электрохимических устройств (топливного элемента и электролизера) и параметры системы хранения водорода.

Для проведения вычислений с помощью программы SEH (Solar Energy in Hydrogen) использовался следующий алгоритм, представленный на рисунке 4.

Для проверки работы программы SEH и с ее помощью были проведены расчеты схемы автономного энергоснабжения типового потребителя (2-этажный жилой дом площадью 280 м2) для 3-х выбранных географических точек Африки. Суточный график нагрузки данного потребителя с преобладанием нагрузки вне светового дня приведен на рисунке 5.

Рисунок 4 - Алгоритм вычислений параметров системы энергоснабжения автономного потребителя на основе солнечной электростанции и водородного аккумулирования энергии (И-мощность единичного солнечного модуля).

13

г

I *

V -

ч

1

10 12 14 Сутки, час

16 18 20 22

24

Рисунок 5. Суточный график нагрузки потребителя с обеспечением температурного режима на основе вентилятора (1) и кондиционера (2).

С использованием программы SEH проведены расчеты годового баланса энергии, запасаемой в водороде для типового потребителя (СГН на основе использования вентилятора) (рисунок 6) в г. Алжир, г. Абиджан, г. Претория. Результаты расчета схемы автономного энергоснабжения типового потребителя на основе СФЭС и водородного накопления энергии для 3-х географических точек Африки и 2-х типов СГН приведены в таблице 1. Анализ показывает, что количество солнечных модулей повышается с увеличением солнечных пико часов в году для данной географической точки. Этот показатель выше в г. Претория. Количество запасенного водорода ниже для потребителя, находящегося вблизи экватора, т.к. здесь ниже сезонная неравномерность. Кроме того, в течение года в г. Абиджан мы видим два периода накопления водорода, а не один. Это является положительным фактором, т.к. снижает необходимую емкость системы хранения водорода.

Использование кондиционера приводит к возрастанию примерно в 2,5 раза мощности, используемого ТЭ и более в 6 раз производительности электролизной установки. Также значительно от 6 до 8 раз возрастает необходимое количество запасаемого водорода.

Рисунок 6. График годового баланса энергии, запасаемой в водороде и извлекаемой из водорода для типового потребителя (СГН для потребителя, использующего вентилятор) в г. Алжир (1), г. Абиджан (2), г. Претория (3)

таблица 1.

г. Алжир (<р° = +36,75°) г. Абиджан (ф° = 5,39°) г. Претория (<р° = -25, 75°)

СГН 1 " 2 _ , 1_ 2. - - _ 1

Число солнечных модулей, нгг. 50 343 48 332 38 278

Ном.мощность ТЭ, кВт (номинальная) 3,3 7,5 3,3 7,5 3,3 7,5

производительность ЭУ, нм3щ/час (номинальная) 1,22 8,2 1,24 7,8 1,26 9,1

Количество запасенного водорода в СХ, кг 6,37 54,8 3 21,2 5,0 34,5

Приход солнечной радиации в году, кВт*ч/м2 1653 1719 2047

В четвертой главе проведен технико-экономический расчет и обоснование эффективной схемы автономного энергоснабжения потребителя в Кот-д'Ивуаре. Для расчета стоимости генерируемой электрической энергии использовалась методика расчета приведенной стоимости энергии, LCOE (англ. - Levelized Cost of Energy). Значение приведенной стоимости энергии - это минимальная цена, за которую энергия, генерируемая в рамках проекта, должна быть продана для достижения точки безубыточности или, другими словами, цена энергии, при которой чистый дисконтированный доход будет равен нулю.

Приведенная стоимость энергии рассчитывается как:

^ к, + о, + т,

ЬСОЕ (2)

V ' h(i+rj

где

К, - капитальные затраты в год, руб.;

О, - расходы на техническое обслуживание в год, руб.;

Т, - затраты на топливо в год, руб.;

Э, - электрическая энергия, полученная за год, кВт;

г - ставка дисконтирования, %;

и - срок эксплуатации схемы энергоснабжения, лет

В качестве типового потребителя выбрана школа, находящаяся в г. Абиджан. Особенность данного потребителя и географической точки его расположения является максимальное совпадение по времени графика периодов максимальной нагрузки и графика генерации электроэнергии СФЭС. Как было показано выше, для данного случая наиболее эффективным является аккумулирование избытка энергии на основе использования АБ. Вместе с тем известно, что наиболее доступные кислотные АБ имеют ряд недостатков, которые сокращают срок из службы, в частности саморазряд. Кроме того, количество жизненных циклов АБ зависит от глубины разряда.

Расчет приведенной стоимости электроэнергии позволяет выбрать оптимальное значение глубины разряда АБ при суточном цикле заряда-разряда. Увеличении глубины разряда АБ приводит к снижению их количества, однако при этом снижается количество жизненных циклов АБ. Напротив, снижение глубины разряда АБ продлевает срок ее службы, однако при этом неоправданно возрастает их количество для покрытия необходимого дефицита энергии. Суть оптимизации - это нахождение оптимального значения глубины разряда АБ, обеспечивающего минимальную

16

стоимость вырабатываемой электроэнергии в схеме 1. Как видно из рисунка 7, это значение достигается при выбранной глубине разряда 2=0,2 и число АБ 224 шт.

Рисунок 7. а) Суточный график нагрузки потребителя (школа в Кот-д'Ивуаре) (1) и графики генерации энергии, производимой СФЭС в день минимального (4), максимального (5), среднемесячного минимального дневного (2) и среднемесячного максимального дневного (3) солнечного излучения, б) зависимость стоимости приведенной энергии от глубины разряда АБ.

Расчеты приведенной стоимости электроэнергии, вырабатываемой за 20 лет с использованием рассмотренных схем энергоснабжения, выполненные по формуле (2), приведены в таблице 2.

Приведенная стоимость электроэнергии по схемам 1-4 Таблица 2.

Схема 1 СФЭС+АБ Схема 2 СФЭС+ВН Схема 3 СФЭС+ДГ Схема 4 ДГ

Стоимость электроэнергии ($/кВт«ч) в расчете на 20 лет 0,973 1,053 0,744 0,727

Как видно, наименьшую приведенную стоимость имеет схема №4 на основе дизель-генератора, а также схема №3 с использованием гибридная схема СФЭС-ДГ. Система СФЭС+ДГ достаточно хорошо отработана и имеет высокую надежность для производства электроэнергии, чем при использовании только СФЭС, т.к. работа дизель-генератора не зависит от внешних факторов. Хотя ДГ в схеме 3 меньше выбрасывает токсичных газов, период его работы (утреннее и вечернее время) требует минимального шумового воздействия на потребителя (школа).

В связи с этим схемы энергоснабжения №2 и №3 по этим параметрам более совершенны, т.к. в эти периоды генерацию электрической энергии обеспечивают

17

бесшумные и не выделяющие токсичных газов электрохимические устройства (АБ и топливные элементы). Как видно, схема 2 с водородным аккумулированием энергии для выбранного потребителя, несмотря на большее количество используемых солнечных модулей, оказалась более экономичной, чем схема 1. Это связано с тем, что используется меньшее количество оборудования (топливные элементы, электролизер). Аккумуляторные батареи используются в большем количестве и требуют замены из-за саморазряда и деградации характеристик.

В заключении диссертационной работы приведены основные выводы:

1. Исследовано влияние географического фактора на выбор схемы энергоснабжения для потребителя с преобладанием нагрузки вне светового дня и показано, что накопление избытка энергии в аккумуляторных батареях целесообразно для такого потребителя, расположенного вблизи экватора (экономия более 20%), а для регионов Северной и Южной Африки более предпочтительной является схема водородного аккумулирования энергии.

2. Учет в расчетах эффективности схем энергоснабжения зависимости к.п.д. энергоустановки (топливного элемента, АБ, дизель-генератора) от нагрузки показывает, что эффективность схем с использованием электрохимических преобразователей возрастает на 30-40 % по сравнению со схемами на основе дизель-генератора.

3. Разработаны алгоритмы и про1раммы для расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии, учитывающие отбор водорода на получение тепловой энергии (газовая плита, каталитический обогреватель), а также зависимость к.п.д. энергоустановки от текущей нагрузки.

4. Расчет приведенной стоимости электроэнергии для 4-х схем энергоснабжения на срок их эксплуатации 20 лет для типовой школы в Кот-д'Ивуаре показал, что сегодня схемы, использующие дизель-генератор еще на 30-40 % более экономичны схем, использующих электрохимические накопители энергии.

5. Для потребителя с преобладанием нагрузки внутри светового дня найдены оптимальные глубины разряда кислотных АБ в схеме энергоснабжения на основе СФЭС, позволяющие снизить капитальные затраты на АБ. Однако, достижение минимальной приведенной стоимости энергии при таком способе накопления энергии предполагает использование большого числа аккумуляторных батарей.

6. Показано, что уже в ближайшее будущее схема на основе использования солнечной фотоэлектрической станции и водородного накопления энергии для таких потребителей будет экономически конкурентоспособна по сравнению с традиционными схемами автономного энергоснабжения на основе дизель-генератора.

7. Расчетная площадь солнечных модулей, необходимых для энергоснабжения данного объекта позволяет их разместить на крыше школы по углом, обеспечивающим максимальную эффективность поглощения солнечного излучения.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Нефедкин С.И., Кпау З.Р. Особенности автономного энергоснабжения с использованием энергии солнца и электрохимических устройств для различных районов Африки //Альтернативная энергетика и экология, № 01/2 (118) 2013 С. 44-54.

2. Нефедкин С.И., Крючкова М.И., Кпау З.Р. Обоснование схем автономного энергоснабжения гостиничного комплекса в г. Сочи с использованием солнечной электростанции. //Вестник МЭИ, №3,2013 г., С. 58-64

3. Кпау З.Р., Нефедкин С.И., Система жизнеобеспечения автономного объекта на экваторе с использованием солнечных батарей и электрохимических преобразователей. // Труды 3 международного симпозиума по водородной энергетике. Москва. МЭИ. 1-2 декабря 2009 г. Изд. МЭИ. 267-270

4. Нефедкин С.И., Кпау Р.З., Крючкова М.И. Обоснование схем автономного энергоснабжения с использованием солнечной электростанции для различных потребителей. // Материалы Первого Международного форума «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности. (REENFOR-2013), РАН, Москва 22-23 октября 2013 г. С. 398

5. Кпау З.Р., Нефедкин С.И., Комплексы жизнеобеспечения населенного пункта на экваторе с использованием солнечной электрической станции мощностью 4 мВт и электрохимических устройств. // Труды 18 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника, энергетика» 1-2 марта 2012 М.: Издательский дом МЭИ, 2012г. С.341-342

6. Крючкова М.И., Кпау З.Р., Нефедкин С.И. Автономное энергоснабжение потребителя в г. Сочи с использованием солнечной электростанции. // Труды МГУ «Возобновляемые источники энергии» 2012 г. С.341-346

7. Крючкова М.И., Кпау З.Р., Нефедкин С.И. Обоснование схем автономного энергоснабжения гостиничного комплекса в г. Сочи с использованием солнечной электростанции. // Труды VI Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» 18 - 22 октября 2010 года. М.: Издательский дом МЭИ, 2013 - №3, С. 58-64

Подписано в печать ММ< М Зак._/М_Тир.J^L П.л.JM Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201458530

Кпау Зондже Раймонд

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В АФРИКЕ НА ОСНОВЕ СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Шифр специальности: 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Нефедкин С.И.

Москва 2014 г.

Содержание

Введение...........................................................................................5

ГЛАВА1- ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.......................................................11

1.1. Развитие мирового рынка электроэнергии и перспективы использования возобновляемых источников энергии........................................................11

1.2. Современное состояние и перспективы солнечной энергетики в мире и на Африканском континенте................................................................................15

1.3. Солнечная энергетика...................................................................18

1.3.1 Потенциал солнечной энергии....................................................18

1.3.2 Фотоэлектрические преобразователи энергии............................... 19

1.4. Методы и системы накопления электрической энергии..........................22

1.4.1. Общие положение и классификация систем хранения энергии.............22

1.4.2.Аккумуляторные батареи...........................................................26

1.4.3 Проточные редокс батареи........................................................31

1.4.4. Электрохимические суперконденсаторы.........................................33

1.4.5. Водородное аккумулирование энергии..........................................34

1.4.5.1.Основные положения......................................................34

1.4.5.2.Электролизеры. Общие сведения и основные типы......................36

1.4.5.3.Системы хранения водорода.............................................40

1. 4.6. Механические методы аккумулирования энергии................................43

1.4.6.1. Гидроаккумулирование...............................................................43

1.4.6.2. Сжатый воздух...............................................................................44

1.4.6.3. Маховики.....................................................................................44

1.4.7. Хранение энергии в магнитном поле. Сверхпроводящие магнитные накопители энергии..............................................................................45

1.5. Энергоустановки для автономного энергоснабжения.............................46

1.5.1. Основные типы электростанций для автономного энергоснабжения.....46

1.5.2. Энергоустановки и электростанции на органическом топливе............48

1.5.3. Энергоустановки на топливных элементах..........................................52

1.6. Обобщение результатов и Выводы.....................................................61

ГЛАВА 2 . РАСЧЕТ И СРАВНЕНИЕ ТРАДИЦИОННЫХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ СХЕМ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ТИПОВОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ РАЙОНОВ АФРИКИ.................................................63

2.1. Постановка задачи...........................................................................63

2.2. Географическое расположение потребителя. Климатические, экономические и социальные условия для использования ВИЭ.......................................................67

2.2.1. Алжир...................................................................................67

2.2.2. Кот -д'Ивуар...........................................................................72

2.2.3. Южно-Африканская Республика.................................................77

2.3. Обобщение данных..........................................................................82

2.4. Характеристика потребителя.............................................................88

2.5. Схемы энергоснабжения..................................................................89

2.6. Оборудование энергетического комплекса.............................................90

2.7. Методика расчета...........................................................................91

2.8. Результаты и анализ........................................................................96

Выводы по Главе 2............................................................................104

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА СХЕМ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И ВОДОРОДНОГО АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ....................................................................................................................106

3.1. Введение и постановка задачи..........................................................106

3.2. Разработка алгоритма и программы SEH для расчета параметров устройств для энергоснабжения автономного потребителя на основе солнечной электростанции и водородного аккумулирования энергии............................108

3.3. Результаты вычислений с помощью программы SEH.............................120

3.4.Примеры вычислений с помощью программы SEH................................123

Выводы по Главе 3.............................................................................129

ГЛАВА 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ СХЕМЫ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ В КОТ-Д'ИВУАР.........................................................130

4.1. Постановка задачи и выбор потребителя.............................................130

4.2. Выбор схемыэнергоснабжения и оборудования...................................132

4.3 Результаты технико-экономического расчета.........................................................139

Выводы по Главе 4.............................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ.....................................................149

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ......................................151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................153

Введение

Актуальность работы

В соответствии с прогнозом Международного энергетического агентства (МЭА) к 2030 г. на возобновляемые источники энергии будет приходиться 29% производства электроэнергии и 7% производства моторного топлива.

Африканский континент имеет колоссальные ресурсы солнечной энергии и сегодня очевидно, что развитие экономик Африканских стран должно быть связано с использованием солнечной энергии (СЭ). Несмотря на относительную дороговизну фотоэлектрических преобразователей, солнечная фотоэнергетика развивается сегодня самыми высокими темпами по сравнению с другими ВИЭ (50-60% в год). В настоящее время все ведущие страны Африки имеют программы развития ВИЭ. Например, в планах решениях министерства энергетики Кот-д'Ивуара намечено довести долю ВИЭ до 5 % к 2015 году, до 15 % к 2020 году и до 20 % к 2030 году.

Гарантированное автономное энергоснабжение потребителей малой и средней мощности может быть организовано за счет использования солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС). Однако при разработке схем энергоснабжения на основе СФЭС необходимо учитывать сезонную и суточную неравномерность поступления солнечной энергии для различных регионов Африканского континента, а также необходимость использования накопителей энергии и источников тока для покрытия дефицита электроэнергии в темное время суток. Наиболее удобными являются электрохимические накопители: аккумуляторные батареи (АБ), а также водородные накопители с использованием электрохимических преобразователей - топливных элементов (ТЭ) и электролизных установок (ЭУ).

В работе проведено исследование и расчет схем энергоснабжения автономных потребителей на основе СФЭС с использованием электрохимических накопителей для трёх характерных географических точек Африки (на юге, экваторе и севере континента). На основе разработанных алгоритмов и программ

выполнены расчеты и показаны варианты наиболее эффективных схем энергоснабжения, типовых потребителей, даны рекомендации по их реализации и оснащению оборудованием. Проведено технико-экономическое сравнение различных схем энергоснабжения по критерию приведенной стоимости вырабатываемой электроэнергии.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью энергообеспечения потребителей, в том числе живущих в удалённых районах, с использованием системах автономного энергоснабжения на базе СФЭУ и электрохимических накопителей энергии.

Цель диссертационной работы заключается в повышении энергетической эффективности использования солнечной энергии в схемах энергоснабжения автономных потребителей, находящихся в различных точках Африканского континента.

Основные задачи исследований:

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

1. Анализ и выбор информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов для характерных регионов на юге, экваторе и севере Африканского континента;

2. Сравнительный расчет традиционных и альтернативных схем автономного энергоснабжения автономного потребителя с преобладанием нагрузки вне светового дняна основе СФЭС мощностью 4 МВт для трех характерных географических точек Африки.Выработка рекомендаций по реализации схем в различных районах Африки;

3. Разработка алгоритма и программы для расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии. Использование данной программы для расчета параметров схемы энергоснабжения типового потребителя (коттеджа), находящегося в трёх характерных географических точках Африканского континента;

4. Расчет приведенной стоимости генерируемой электрической 3Heprcffl(Levelized Cost of Energy) и обоснование эффективности традиционных и альтернативных схем автономного энергоснабжения типового потребителяс преобладанием нагрузки внутри светового дня (школа), находящегося вблизи экватора (в Кот-д'Ивуар);

5. Обоснование схем автономного энергоснабжения потребителей с различным графиком нагрузки и уровнем потребляемой мощности применительно к географическим и экономическим условиям республики Кот-д'Ивуар.

Научная новизна:

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние географического фактора на выбор схемы энергоснабжения типового потребителя с преобладанием нагрузки вне светового дняи показано, что накопление избытка энергии в аккумуляторных батареях целесообразно для такого потребителя, расположенного вблизи экватора (экономия более 20%), а для регионов Северной и Южной Африки более предпочтительной является схема водородного аккумулирования энергии;

2. Учет в расчетах эффективности схем энергоснабжения зависимости к.п.д. энергоустановки (топливного элемента, АБ, дизель-генератора) от нагрузки показывает, что эффективность схем с использованием электрохимических преобразователей возрастает на 30-40 % по сравнению со схемами на основе дизель-генератора;

3. Разработаны алгоритм и программадля расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии, учитывающие отбор водорода на получение тепловой энергии (газовая плита, каталитический обогреватель), а также зависимостьк.п.д. энергоустановки от текущей нагрузки;

4. С использованием методики расчета приведенной стоимости энергии, LCOE (англ. - Levelized Cost of Energy) на период 20 лет найдены оптимальные глубины разряда аккумуляторных батарей в схемах автономного энергоснабжения на

основе СФЭУ, позволяющие минимизировать количество используемых аккумуляторных батареи.

Достоверность и обоснованность результатов.

Приведенные в диссертационной работе данные и выводы базируются на использовании современных методов и программ численных исследований, а также на соответствии полученных результатов расчетов результатам, опубликованных другими авторами.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования специалистами разработанных схем энергоснабжения, также оценок и рекомендаций при реализации проектов энергоснабжения на основе использования СФЭС. Разработаны методики и программное обеспечение, позволяющие определять параметры схем и оборудования дляавтономного энергоснабжения потребителя на базе СФЭС применительно к потребителям, находящимся в Кот-д'Ивуар и других регионах Африки.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования влияния географического фактора на выбор схемы энергоснабжения с использованием СФЭС и электрохимических преобразователей для потребителей, расположенных на севере, экваторе и юге Африканского континента;

2. Необходимость учета в расчетах схем автономного энергоснабжения зависимости к.п.д. энергоустановки (топливного элемента, АБ, дизель-генератора) от нагрузки, которая позволяет повысить достоверность расчетов и показывает более высокую эффективность схем с использованием электрохимических преобразователей по сравнению со схемами на основе дизель-генератора;

3. Разработанные алгоритмы и программы для расчета параметров устройств схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭС и водородного аккумулирования энергии, учитывающие отбор водорода на покрытие тепловой

нагрузки потребителя (газовая плита, каталитический обогреватель), а также зависимость к.п.д. энергоустановки от текущей электрической нагрузки;

5.Расчет приведенной стоимости электроэнергии для 4-х схем энергоснабжения на срок их эксплуатации 20 лет для типовой школы в Кот-д'Ивуар;

6. Результаты расчета оптимальной глубины разряда аккумуляторных батарей в схемах автономного энергоснабжения на основе СФЭС по критерию минимальной приведенной стоимости энергии за 20 лет эксплуатации;

7. Обоснование перспективности схемы энергоснабжения на основе использования СФЭС и водородного накопления энергии, которая для потребителейс преобладанием нагрузки внутри светового дняуже в ближайшее время будет экономически конкурентоспособна с традиционными схемами автономного энергоснабжения на основе использования дизель-генератора и АБ.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на II и III Международных Симпозиумах по Водородной энергетике (2007, 2009, Москва); 5-й и 7-й международных школах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», НИУ МЭИ, (2010, 2012 гг.), конференции молодых ученых МГУ.«Возобновляемые источники энергии» 2012 г., на Первом международном форуме «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности. (REENFOR-2013), РАН, Москва 22-23 октября 2013 г.

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, две из которых опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях: 1. С.И. Нефедкин, З.Р.Кпау. Особенности автономного энергоснабжения с использованием энергии солнца и электрохимических устройств для различных районов Африки//Альтернативная энергетика и экология. -2013.-№ 01/2 (118).- С. 44-54.

2. С.И. Нефедкин, Крючкова М.И., З.Р.Кпау. Обоснование схем автономного энергоснабжения гостиничного комплекса в г. Сочи с использованием солнечной электростанции // Вестник МЭИ. - 2013.- №3.- С. 58-64.

3. З.Р.Кпау, Нефедкин С.И. Система жизнеобеспечения автономного объекта на экваторе с использованием солнечных батарей и электрохимических преобразователей//Труды 3 Международного Симпозиума по водородной энергетике. 1-2 декабря 2009 г. -Москва. Изд. МЭИ. С. 267-270

4. Нефедкин С.И., Кпау Р., Крючкова М.И. Обоснование схем автономного энергоснабжения с использованием солнечной электростанции для различных потребителей// Материалы Первого Международного форума «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности. (КЕЕ№Ю11-2013), 22-23 октября 2013 г. РАН, Москва С. 398

5. З.Р.Кпау, Нефедкин С.И., Комплексы жизнеобеспечения населенного пункта на экваторе с использованием солнечной электрической станции мощностью 4 мВт и электрохимических устройств// Труды 18 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника ,электротехника, энергетика» 1-2 марта 2012 Москва.- Издательский дом МЭИ, 2012г. С.341-342

6. Крючкова М.И., З.Р.Кпау, С.И. Нефедкин. Автономное энергоснабжение потребителя в г. Сочи с использованием солнечной электростанции// Труды конференции МГУ «Возобновляемые источники энергии» 2012 г. С.341-346

7. Крючкова М.И., З.Р. Кпау, С.И. Нефедкин. Обоснование схем автономного энергоснабжения гостиничного комплекса в г. Сочи с использованием солнечной электростанции// Труды VI Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» 18 - 22 октября 2013 года. Москва. Издательский дом МЭИ, 2013 - №3, С. 58-64

Работа выполнена под руководством профессора кафедры ХиЭЭ НИУ МЭИ, доктора технических наук Нефедкина Сергея Ивановича, которому автор выражает глубокую благодарностьи признательность.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Развитие мирового рынка электроэнергии и перспективы использования возобновляемых источников энергии

Сегодня развитие мировой цивилизации сопровождается значительным увеличением энергопотребления, причем лидерами роста становятся развивающиеся страны. Достаточно сказать, что если в 2000 г. энергопотребление Китая составляло лишь половину от энергопотребления США, то в 2009 году [1]. Китай уже опередил США по данному показателю. Увеличение численности населения Земли, развитие промышленности и рост уровня жизни населения сопровождается существенным ростом энергопотребления. С каждым год