Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Социально-экономические проблемы развивающихся стран и возможности их решения путем развития электроэнергетики 17
1.1. Развивающиеся страны в определении организаций международного сообщества 17
1.2. Сравнительный анализ уровня жизни в странах мирового сообщества 20
1.3. Зависимость уровня жизни в развивающихся странах от энергопотребления и потребления питьевой воды 26
1.4. Направление и содержание диссертационной работы 33
Выводы по главе 1 37
Глава 2. Потребности в электроэнергии в сельско хозяйственных районах развивающихся стран 38
2.1. Понятие "типового" дома и "типовой" деревни 38
2.2. Потребности в электроэнергии "типовых" потребителей 43
2.3. Принципы формирования перспективных графиков нагрузки "типовой" местной энергосистемы (микроэнергокомплекса — МЭК) 52
2.4. Требования к качеству электроэнергии местной энергосистемы 57
2.5. О предпочтительности применения термина "местная энергетика" ("местная энергосистема") 59
Выводы по главе 2 64
Глава 3. Экологические проблемы мировой энергетики и энергетики развивающихся стран 65
3.1. Современное состояние и перспективы развития мировой энергетики 65
3.2. Глобальные экологические проблемы развития мировой энергетики 68
3.3. Экологические проблемы традиционной электроэнергетики 76
3.4. Экологические проблемы энергетики развивающихся стран 87
3.5. Хозяйственные проблемы развивающихся стран, решение которых возможно на базе развития электроэнергетики 88
Выводы по главе 3 122
Глава 4. Экологические и режимные особенности использования возобновляющихся источников энергии 124
4.1. Экологические особенности использования возобновляющихся источников энергии в развивающихся странах 124
4.2. Учет временной неравномерности прихода возобновляющихся источников энергии в энергетических расчетах микроэнергокомплексов 128
4.3. Ветровой режим Шри-Ланки 130
4.4. Методика оценки энергетических ресурсов ветра 133
4.5. Режим солнечного излучения для условий Шри-Ланки 139
4.6. Методика оценки энергетических ресурсов солнечной инсоляции 142
Выводы по главе 4 151
Глава 5. Ресурсы возобновляющихся источников энергии в развивающихся странах 152
5.1 Гидроэнергетические ресурсы рек, в том числе ресурсы малых рек 152
5.2. Ресурсы солнечной энергии 172
5.3. Ресурсы энергии ветра 177
5.4. Ресурсы биомассы 179
5.5. Ресурсы других возобновляющихся источников энергии 184
Выводы по главе 5 190
Глава 6. Современные технические аспекты использования энергии водных МАСС 193
6.1. Виды энергии водных масс 193
6.2. О необходимости расширения понятий "гидроэнергетика" и "гидроэнергетическая установка" 193
6.3. Предложение по терминологии гидроэнергетических установок 196
6.4. Перспективы развития малой гидроэнергетики в развивающихся странах 197
6.5. Современные проблемы и технические решения в области микрогидроэлектростанций 201
6.6. Возможности комплексного использования водных ресурсов на площадках размещения малых ГЭС 213
Выводы по главе 6 215
Глава 7. Современные технические аспекты использова ния солнечной и ветровой энергии, энергии биогаза. понятие о микроэнергокомплексе 217
7.1. Технические достижения в области преобразования солнечной энергии 217
7.2. Ветровые энергетические установки 223
7.3. Современные технологии в производстве и использовании биогаза 225
7.4. Понятие о микроэнергокомплексе и особенностях его функционирования и использования энергии в развивающихся странах 231
Выводы по главе 7 241
Глава 8. Эффективность комплексного использования возобновляющихся источников энергии 243
8.1. Исходные положения экономического анализа 243
8.2. Расчетные зависимости, используемые для определения затрат и доходов, учитывающие специфику МЭК 245
8.3. Анализ результатов расчета движения денежных средств при реализации проекта МЭК 250
Выводы по главе 8 258
Глава 9. Оптимизация параметров микроэнергокомплекса 259
9.1. Формулировка задачи оптимизации параметров МЭК 259
9.2. Алгоритм оптимизации параметров МЭК 264
9.3. Анализ влияния удельных энергетических и удельных экономических показателей СЭС и ВЭУ на результаты оптимизации параметров МЭК 268
9.4. Анализ влияния энергетических и экономических показателей ГЭС на результаты оптимизации параметров микроэнергокомплекса 277
9.5. Автоматизация расчетов экономической эффективности МЭК с оптимизацией параметров ГЭС, СЭС и ВЭУ 284
Выводы по главе 9 299
Глава 10. Анализ длительных и краткосрочных режимов работы микроэнергокомплекса на базе возобновляющихся источников энергии 300
10.1. Задачи, решаемые в рамках анализа режимов микроэнергокомплекса 300
10.2. Возможности суточного регулирования мощности микроэнергокомплекса 301
10.3. Математическое моделирование суточных режимов работы микро-энергокомплекса 305
10.4. Характеристики внутригодового изменения среднесуточных мощностей МЭК 309
10.5. Определение дублирующей и резервной мощностей МЭК на основа нии статистического анализа поступления возобновляющихся энерго ресурсов 319
Выводы по главе 10 323
Глава 11. Проблемы адаптации проектов комплексного сельского развития и проблемы экологического и технического образования сельского населения в развивающихся странах 324
11.1 Проекты комплексного сельского развития и проблемы их адапта ции для условий слаборазвитых стран 324
11.2. Проблемы экологического и технического образования населения развивающихся стран в районах внедрения проектов комплексного сельского развития 327
11.3. Особенности подготовки инженеров-гидротехников для работы в развивающихся странах 331
11.4. Примерный учебный план подготовки инженера-строителя для реализации проектов комплексного сельского развития в развивающихся странах 334
Выводы по главе 11 338
Основные выводы, рекомендации и предложения 339
Список литературы 345
Приложение
- Сравнительный анализ уровня жизни в странах мирового сообщества
- Принципы формирования перспективных графиков нагрузки "типовой" местной энергосистемы (микроэнергокомплекса — МЭК)
- Хозяйственные проблемы развивающихся стран, решение которых возможно на базе развития электроэнергетики
- Учет временной неравномерности прихода возобновляющихся источников энергии в энергетических расчетах микроэнергокомплексов
Введение к работе
Настоящая работа посвящена обоснованию необходимости использования гидравлической и других возобновляющихся источников энергии для электрификации сельскохозяйственных районов развивающихся стран и разработке методики определения основных параметров микроэнергокомплексов, включающих генерирующие мощности в виде микрогидроэлектростанции, солнечной (фотоэлектрической) станции и ветроэнергетической установки.
Актуальность проблемы. Для развивающихся стран, находящихся в сложной экономической и экологической ситуации из-за низкого уровня промышленного и сельскохозяйственного производства, быстрого роста народонаселения и связанных с этим потерь природных ресурсов, противопоказан путь крупного энергетического строительства, основанного на ископаемых органических топливах и приводящего к дополнительной нагрузке на окружающую среду за счет техногенных загрязнений.
Электроснабжение от экологически более чистых крупных гидроэлектростанций связано с необходимостью строительства протяженных и дорогостоящих линий электропередач. Получение в сельской местности электроэнергии от дизельных установок обходится в 0,2-2,0 долл.США/кВт-ччто гораздо дороже, чем в национальных электроэнергетических системах — 0,04-0,33 долл.США/кВт ч.
Поэтому будущее энергетики развивающихся стран с их незначительными энергетическими ресурсами, с населением, живущим преимущественно в сельскохозяйственных районах, где средняя плотность населения — 15-20 чел/км2, связано с электростанциями небольшой мощности, от 10 кВт и более, работающими на местную электроэнергетическую систему и использующими возобновляющиеся
источники энергии. Наиболее подходящими для этих целей являются микрогидроэлектростанции на малых реках и ручьях, солнечные электростанции на фотоэлектрических преобразователях, ветроэнергетические установки и установки для переработки искусственно выращиваемой биомассы и отходов сельскохозяйственного производства в электрическую и тепловую энергию.
Поскольку возобновляющиеся источники энергии, в отличие от традиционных, характеризуются меньшей плотностью потока энергии и большей временной неравномерностью, наиболее предпочтительными являются энергоустановки, работающие на разных энергоисточниках, но по единому режимному графику, объединенные в энергокомплексе. Это позволит увеличить число часов использования мощности, повысить надежность снабжения электроэнергией, уменьшить суммарные капиталовложения в строительство, снизить себестоимость электроэнергии. В разработку основ расчета режимов совместно работающих гидравлической, солнечной и ветровой электростанций большой вклад внесли российские ученые Н.В.Арефьев, Ю.С.Васильев, В.И.Виссарионов, В.В.Елистратов и другие.
В качестве базового производителя электроэнергии целесообразно использовать микроГЭС, характеризуемую минимальными удельными капиталовложениями, наибольшей обеспеченностью энергоресурсом в течение суток и более длительных периодов времени.
В отличие от крупных электростанций микроэнергетические комплексы вносят минимальные изменения в окружающую среду, а в некоторых отношениях способствуют сохранению природных систем, и поэтому их строительство, требующее неизмеримо меньших капиталовложений, предпочтительнее строительства крупных электроэнергетических объектов, хотя по удельным экономическим показателям микроэнергокомплексы уступают мощным ТЭС, АЭС и ГЭС.
Первоочередная задача электрификации сельскохозяйственных районов с неразвитой инфраструктурой состоит в обеспечении сельских жителей электроэнер-
гией для домашнего хозяйства и общинного потребления. Потребности сельских жителей в электроэнергии, зависящие от природно-климатических условий, уклада и уровня жизни, определяются необходимостью улучшения санитарно-бытовых условий (освещение, холодильник, электроплита) и получения информационных услуг (радио, телевизор). На уровне общины или деревни электроэнергия требуется для привода общественных водоподъемных установок, энергообеспечения кустарного производства, перерабатывающих мастерских, а также для общественной электроплиты и культовых нужд.
Электрификация сельскохозяйственных районов позволит не только облегчить бытовые и улучшить санитарные условия, обеспечить более длительное хранение продуктов и лекарств, уменьшить затраты труда и времени женщин и детей на заготовку топлива и воды, дать населению доступ к информации и к начальному образованию, но и решить проблему сохранения леса за счет снижения вырубки деревьев на дрова, что имеет не только региональное, но и общемировое значение.
На первоначальном этапе электрификации сельских общин электроэнергию предлагается получать от микроэнергокомплексов мощностью несколько киловатт или несколько десятков киловатт, включающих микрогидроэлектростанцию, солнечную микроэлектростанцию с фотопреобразователями и ветроэнергетическую установку. Особенности поступления первичных источников энергии в течение суток и в течение года, отсутствие на ГЭС регулирующего водохранилища, позволяющее максимально удешевить электростанцию, отсутствие регулятора мощности генерирующих установок по той же причине ставят довольно сложные вопросы определения режимов работы каждой из станций, входящих в комплекс, определения установленной мощности каждой из станций, обеспечивающей минимальные капиталовложения в комплекс при заданных удельных капиталовложениях в гидравлическую, фотоэлектрическую и ветровую установки, определения ем-
кости аккумуляторной батареи, резервной и дублирующей мощностей.
Решению этих вопросов посвящена значительная часть диссертации. В итоге можно заключить, что разработанная концепция микроэнергокомплекса, комплектуемого из микроэнергоустановок заводского (импортного или отечественного) изготовления отвечает поставленным требованиям дешевизны оборудования, экологической чистоты и простоты обслуживания при эксплуатации, надежности снабжения электроэнергией; после соответствующей конструктивной проработки микроэнергокомплексы могут найти широкое применение для электрификации сельскохозяйственных районов развивающихся стран.
Как показывает опыт практической работы, крайне важным для обеспечения устойчивого развития общины является участие коренного населения в усилиях по электрификации деревни. Разъяснительную работу среди населения необходимо вести на научной основе, с учетом психологических, социальных, хозяйственных, религиозных особенностей общины, и для этого необходима серьезная методическая подготовка.
Важным фактором является и подготовка национальных инженерных кадров, способных разрабатывать и реализовывать планы электрификации сельскохозяйственных районов с учетом всех перечисленных выше специфических обстоятельств. Имеющиеся в развитых странах программы подготовки инженеров-строителей составлены в расчете на наличие развитой строительной инфраструктуры, и поэтому требуются специальные программы, максимально адаптированные к условиям работы в слаборазвитых странах.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание методологических основ энёргоэкономических расчетов электрификации сельскохозяйственных общин развивающихся стран.
Для достижения поставленной цели решены следующие технические задачи:
1. Разработаны методики:
определения потребности в электроэнергии сельскохозяйственной общины;
формирования перспективных графиков нагрузки местной электроэнергетической системы;
выбора наиболее целесообразных для использования первичных источников энергии;
формирования базы данных поступления первичных энергоресурсов;
оптимизирования параметров гидравлической, солнечной и ветровой установок, входящих в состав микроэнергокомплекса;
обоснования экономической эффективности микроэнергокомплекса.
2. Выполнены анализы:
— суточных режимов работы микроэнергокомплекса с определением ем
кости аккумуляторной батареи;
— длительных режимов работы микроэнергокомплекса с определением
дублирующей и резервной мощностей.
3. Разработан проект учебного плана подготовки инженеров-строителей,
ориентированных на реализацию проектов комплексного развития сель
скохозяйственных районов развивающихся стран.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
В обосновании приоритетности первоочередной необходимости повышения уровня энергообеспеченности местного населения сельскохозяйственных районов развивающихся стран путем электрификации в качестве генеральной линии действий для повышения уровня жизни населения, решения социальных, экологических, экономических и других проблем.
В обосновании использования возобновляющихся источников энергии при создании местных электроэнергетических систем для повышения надежности электроснабжения, улучшения экологической ситуации, сохранения лесов, предотвращения эрозии почв.
В обосновании целесообразности комплексного использования гидравлической, солнечной и ветровой энергии для создания микроэнергокомплек-сов, характеризуемых конструктивной простотой и невысокой стоимостью поставки, простотой обслуживания в эксплуатации, надежностью производства электроэнергии, приспособленностью к конкретным запросам потребителей электроэнергии, мобильностью.
В создании методик предварительного проектирования и окончательного оптимизированного расчета мощности микроэнергокомплекса и мощностей входящих в него установок, мощности аккумуляторной батареи и резервной и дублирующей мощностей, а также расчета режимов работы микроэнергокомплекса.
В разработке методических основ повышения образовательного уровня местного населения при реализации планов комплексного развития сельскохозяйственных районов развивающихся стран; разработке методических основ подготовки инженерных кадров, в том числе из местного населения, ориентированных на работу по реализации планов комплексного развития сельскохозяйственных районов развивающихся стран.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации рекомендации по электрификации сельскохозяйственных районов развивающихся стран, являющиеся основой целостной системы взглядов на пути повышения уровня жизни сельского населения, могут быть использованы местными органами, правительствами стран и международными организациями при планировании политики оказания финансовой и экономической помощи развивающимся странам.
Разработанная в диссертации методика экспертной оценки и опроса местного населения может использоваться на практике при определении потребностей в электроэнергии конкретной сельской общины и последующем определении мощности электрогенерирующих установок.
Разработанные в диссертации концепции и методики расчета микроэнерго-
комплекса могут использоваться при конструктивной разработке и разработке правил технической эксплуатации.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 22 публикациях в технической литературе, изданных в г. Коломбо, Шри-Ланка; г. Киншаса, Заир (по линии ЮНИСЕФ) (перечень публикаций приведен в списке литературы под №№ 264-291 и включает 22 работы по теме диссертации и 6 работ по другим техническим проблемам).
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации были доложены и обсуждены на национальных (Шри-Ланки) и международных симпозиумах и конференциях: национальном симпозиуме "Принципы использования первичных энергоресурсов в Шри-Ланке" (Коломбо, 1980); Международном симпозиуме "Энергия в 1990-х годах и в последующее время" (Коломбо, 1982); национальной конференции "Использование и охрана природных ресурсов Шри-Ланки" (Коломбо, 1983); национальном симпозиуме "Энергия для развивающихся стран" (Коломбо, 1985); международном симпозиуме "Комплексное развитие сельскохозяйственных районов развивающихся стран" (Нью-Йорк, 1988); международной конференции "Коммунальное развитие сельских местностей" (Бангкок, 1993); международной конференции "Экология и природные ресурсы" (Найроби, 1994); национальном симпозиуме "Рациональное использование водных и других природных ресурсов" (Киншаса, 1995); юбилейной научно-технической конференции Московского государственного строительного университета в 1996 году и на научных семинарах кафедры использования водной энергии МГСУ в апреле и в октябре 1996 года.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, одиннадцати глав, выводов, пяти приложений и содержит 246 страниц текста, включающих 46 таблиц, 98 страниц со 104 иллюстрациями, список литературы на 33 страницах, включающих 388 источников, из них 179 на русском и 209 на иностранных языках, 28 страниц приложений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Концепция повышения энергообеспеченности сельскохозяйственных районов
развивающихся стран путем их электрификации с помощью мелких автономных энергоустановок с комплексным использованием возобновляющихся источников энергии.
Методика экспертной оценки потребности сельской общины в электроэнергии и понятия "типового" дома и "типовой" деревни.
Концепция микроэнергокомплекса в составе микрогидроэлектростанции, солнечной фотоэлектрической станции, ветровой энергетической установки и аккумуляторной батареи, генерирующего электроэнергию преимущественно постоянного тока, и питания бытовых потребителей от индивидуальных аккумуляторных батарей.
Методика и результаты экономических расчетов микроэнергокомплекса, учитывающая основные экономические показатели рыночной экономики.
Методика и результаты оптимизационных расчетов микроэнергокомплекса, учитывающая интенсивность внутригодового изменения первичных энергоресурсов, характер изменения полезной нагрузки, различные удельные стоимости преобразования энергии воды, солнца и ветра.
Методика и результаты расчетов режимов работы микроэнергокомплекса и определения резервной и дублирующей мощностей.
Предложения методического характера о введении понятия "местная энергетика", о расширении понятия "гидроэнергетика", об уточнении понятия "гидроэнергетическая установка", о введении терминов для обозначения гидроэнергетических установок различных типов.
Содержание учебного плана подготовки инженера-строителя, ориентированного для работы по реализации планов комплексного развития сельскохозяйственных районов развивающихся стран.
Сравнительный анализ уровня жизни в странах мирового сообщества
В таблице 1.1 приведены некоторые показатели экономического и социального состояния слаборазвитых, развивающихся и развитых стран. Существует огромная разница в уровне жизни людей в разных странах. Для стран с высоким уровнем жизни характерен годовой валовой внутренний продукт на душу населения, составляющий свыше 20 тыс. долл. США, а для слаборазвитых стран на два порядка меньше — 300 долл. Чем выше уровень развития страны, тем меньше доля населения, занятая в сельском хозяйстве, тем выше производительность сельского труженика, тем меньше рост населения, тем меньше детская и родовая смертность. Для характеристики понятия "уровень жизни" используется ряд количественных показателей, определяемых по статистическим показателям для отдельных стран, групп стран и регионов [258, 296, 343, 352, 360]. В последние годы в организациях международного сообщества важным и четким интегральным показателем уровня жизни в разных странах признан "показатель человеческого страдания" (в настоящей работе названный "индексом уровня жизни" — ИУЖ), разработанный Комитетом по кризису народонаселения (Population Crisis Committee) [360]. Индекс уровня жизни определяется на основе оценки баллами от 0 до 10 (10 — самая низкая) следующих десяти показателей уровня жизни населения конкретной страны: 1.
Средняя продолжительность жизни. 2. Ежедневное потребление пищи (калорий) на душу населения. 3. Потребление чистой питьевой воды. 4. Детская иммунизация. 5. Количество учащихся в средних школах. 6. Валовой годовой национальный продукт на душу населения. 7. Рост инфляции. 8. Уровень развития средств связи (коммуникаций). 9. Степень политической свободы. 10. Соблюдение прав человека. Численно ИУЖ изменяется от нуля до ста. Значения ИУЖ, близкие к 100, характеризуют самый низкий уровень жизни, а близкие к нулю — соответственно, самый высокий. Индекс ИУЖ от 75 до 100 имеют 27 стран с населением 432 млн. чел. (8% населения Земли) — это самые слаборазвитые страны мира. Индекс ИУЖ от 0 до 10 имеют 24 страны с населением 797 млн. чел. (14,8% населения Земли) — это самые высокоразвитые страны мира (табл. 1.2). Энергетика является основой развития современного промышленного общества.
С открытием электричества и разведыванием крупных месторождений нефти связана техническая революция XX века. Известна прямая связь между уровнем энергетического развития страны и уровнем жизни ее населения. Для характеристики уровня энергетического развития страны часто используют показатель удельного энергопотребления, выражаемый в килограммах "условного топлива" (чаще всего в килограммах "эквивалентного угля"), потребленного в год на душу населения [28, 60, 220, 221, 258, 296, 343]. Нами этот показатель используется для иллюстрации произведенного выше разделения стран на развитые, развивающиеся и слаборазвитые (табл. 1.2, [221].). Для развитых стран годовое потребление энергии составляет 6891 кг угля, для развивающихся стран на порядок меньше — 766 кг угля, а для слаборазвитых стран еще на порядок меньше — 66 кг угля. В два раза отличается показатель наличия питьевой воды для населения слаборазвитых и развитых стран — соответственно 51% и 99% [276]. По данным табл. 1.2 построены графики на рис. 1.1, а и б. Графики свидетельствуют о весьма жесткой связи между удельным энергопотреблением и уровнем жизни, особенно в части, касающейся слаборазвитых стран. На рис. 1.2 аналогичная зависимость для слаборазвитых стран представлена в координатах "удельный валовый национальный продукт — удельное энергопотребление". По данным Института Мировых Ресурсов [229], практически более 50% населения Земли не использует ни один из коммерческих видов энергии или электричество. В развивающихся и особенно в слаборазвитых странах более 250 млн. человек не имеют освещения в своих домах. 75% населения земного шара потребляет менее 30% всей производимой энергии, причем из этой доли на коммерческие виды энергии приходится только 26%, а остальные дает сжигание биомассы (леса, кустарников, отходов сельскохозяйственного производства и др.). На рис. 1.3 представлены диаграммы используемых видов энергии для развитых и развивающихся стран. Однако и среди развивающихся стран отмечается значительная дифференциация по видам потребляемой энергии. В табл. 1.3 и на рис. 1.3 приведены данные по некоторым характерным странам: Непал, Сомали, Кения, Шри-Ланка, Бразилия и др.
Принципы формирования перспективных графиков нагрузки "типовой" местной энергосистемы (микроэнергокомплекса — МЭК)
Графики нагрузки должны разрабатываться в соответствии с принятой концепцией электрификации сельскохозяйственной общины, которая изложена выше. При этом учитывается, что речь идет об изолированном микроэнергокомплексе, на который возлагается задача выработки электроэнергии в необходимом количестве и надлежащего качества. Графики нагрузки дают исходную информацию для дальнейшего определения величин генерирующих мощностей МЭК с учетом их дублирования и необходимого резерва. Суточные графики нагрузки меняются в течение года. На них оказывают влияние природные условия (наличие сухого сезона, сезона дождей, внутригодового изменения температуры), а также хозяйственная деятельность человека (сезонные сельскохозяйственные работы, орошение, национально-религиозные праздники). В данном случае речь идет о первом уровне электрификации общины, кото-грая до сих пор не имеет никакого электроснабжения. Имея в виду ограниченность В средствах, определяется минимальный уровень энергообеспечения с введением ограничений по режиму потребления электроэнергии. Это позволяет достичь две цели: 1 — ограничить максимальную мощность МЭК; 2 — выровнять неравномерный по своей природе суточный график нагрузки. Под ограничением режима потребления электроэнергии понимается использование электроприборов и электрооборудования определенной мощности в установленные часы суток, возможно, с автоматическим отключением при превышении некоторой нормы. Здесь учитываются особенности уклада сельскохозяйственной общины. Учитывается и такая частная особенность микроэнергокомплекса, как работа на постоянном токе. Это позволяет осуществлять индивидуальное аккумулирование электроэнергии для использования в быту сверх того минимума, который регламентируется.
Все потребители делятся на три категории: 1 — не допускающие перерыва в энергоснабжении; 2 — допускающие кратковременные перерывы в энергоснабжении; 3 — допускающие длительные перерывы в энергоснабжении. К первой категории относится холодильник для хранения вакцин и насосы водоснабжения. Ко второй категории — вся производственная нагрузка, включая зарядку аккумуляторов. К третьей категории отнесена вся бытовая нагрузка. При этом учитывается, что наличие индивидуальных аккумуляторов позволяет потре ; бителям третьей категории питаться электроэнергией автономно. Потребители второй и третьей категории получают электроэнергию по уста-I новленному графику в течение суток. В табл. 2.4 представлены прогнозные характеристики электропотребления ;. для сельскохозяйственной общины из 100 домов. С учетом бытовой и производ-ственной нагрузки максимальная мощность потребления составляет 10 кВт. Су-L точное потребление электроэнергии — 148 кВтч/сут. На рис. 2.1 представлены характерные суточные графики нагрузки МЭК для \ сухого и дождливого сезонов (условия Шри-Ланки). Особенностью графика на-; грузки сухого сезона является дополнительное потребление электроэнергии насо-! сами для ирригации. На рис. 2.2 показано изменение среднесуточной мощности в течение года, рассчитанное с учетом сезонного изменения отдельных ее видов. Этот график использовался при экономическом обосновании состава генерирующих мощностей микроэнергокомплекса.
Форма графика на рис. 2.2, построенного для условий сельскохозяйственных районов Шри-Ланки, требует некоторых комментариев. Так, в апреле, последнем месяце перед сухим сельскохозяйственным сезоном (выращивание риса и других культур), отмечается национальный Новый год. Люди отдыхают, и загрузка механических мастерских и пищеперерабатывающих предприятий, соответственно, потребление электроэнергии, находятся на низком уровне. Электростанции в сельскохозяйственных районах, отдаленных от густонаселенных центров, в основном работают автономно. Специфические условия работы требуют большого внимания к качеству энергии, так как это влияет на надежность работы элементов, а также всей системы в целом. Надежность обуславливается безотказ ностью, долговечностью и ремонтопригодностью системьі и ее частей, обеспечивающими сохранение эксплуатационных показателей системы в заданных пределах. Выбор источника или комплексных источников энергии является одним из факторов, зависящих от требований к качеству энергии. В то же время, при возможности комплексного использования нескольких источников энергии можно всегда найти соответствующих потребителей, прежде всего заинтересованных в энергии для удовлетворения нужд первой необходимости. В случае микрогидроэлектростанции, солнечной электростанции (СЭС) и ветровой энергетической установки (ВЭУ), которые способны производить элек [ троэнергию постоянного тока, проблема качества энергии не стоит так остро, как в системах переменного тока. Здесь колебания напряжения небольшие, и существуют современные способы его регулирования. Но такая система выгодна при условии автономной эксплуатации без подключения в национальную сеть, которая работает на переменном токе. Требования к качеству в основном определяются классом приборов или нагрузок, подключаемых к данной системе. С одной стороны, с учетом простых устройств, используемых в автономных сетях или системах, требования к качеству могут быть невысокими, например, для лесопильной мастерской изменение параметров в допустимых пределах не влияет на ее работу. Но для работы вентиляторов увеличение частоты тока, даже незначительное, влияет на безотказность и срок службы. Поэтому в системах переменного тока особое внимание уделяется ограничению колебаний частоты тока и напряжения. С учетом подключаемых приборов надо заранее определять требования к качеству энергии. В системах могут быть современные электронные приборы, которые требуют более высокого качества энергии. Например, в медпункте могут быть дорогостоящие медицинские приборы, надежность показателей которых зависит ! от качества энергии. В таких случаях надо учитывать необходимость в более высо-i ком качестве уже на стадии проектирования. Создать высококачественную систему электроснабжения возможно. Но при принятии решений надо учитывать ряд факторов, так как с улучшением качества ; электричества, значит, и надежности, затраты на создание и эксплуатацию си t стемы увеличиваются. Поэтому, чтобы система была рентабельной, надо найти [ разумный предел допускаемых отклонений. f Как было указано, требования к уровню качества электроэнергии определя , ются режимом рабо ты нагрузки, то есть видами используемых установок, двигате I лей, электроприборов. Более подробно технические требования к электроаппара туре будут перечислены в главе 7.
Хозяйственные проблемы развивающихся стран, решение которых возможно на базе развития электроэнергетики
Наибольшую опасность для окружающей среды представляют двуокись серы и азота, которые в результате взаимодействия с водяными парами превращаются в серную и азотную кислоту, представляющие опасность для людей и животных. С этими кислотами связано разрушение строений, коррозия металла и гибель лесов.
Для того, чтобы уменьшить опасность от этих выбросов, приходится для рассеяния паров, содержащих вредные вещества, возводить дымовые трубы высотой от 180 до 320 м, что сильно удорожает строительство ТЭС.
Однако и рассеянные в атмосфере выбросы вместе с облаками способны перемещаться на далекие расстояния и выпадать на землю с кислотными дождями. По этой причине погибло 1,6% и повреждено 19% лесов в ФРГ, 14-15% лесов в істрии и Швейцарии. Из-за изменения кислотности воды лишились рыбы озера :андинавии, а вслед за рыбой исчезли птицы и другие обитатели этих мест [62, \, 141, 229, 316, 334, 347]. В отходах ТЭС содержатся некоторые радиоактивные цества, обнаруживаются следы мышьяка, свинца, ртути. Помимо названных отрицательных качеств ТЭС необходимо учесть и изъ-те земли из пользования при разработке угольных карьеров и при строительстве лой ТЭС, при складировании твердых отходов.
Атомная энергетика к началу 1990-х годов насчитывала в своем арсенале более ) строящихся и действующих атомных электростанций. В Европе прежде всего іанция и Швеция строили политику энергетической независимости за счет АЭС. Во анции 75%, а в Швеции 50% энергии вырабатывается на АЭС. В настоящее время с строительства атомных электростанций переместился в Юго-Восточную Азию.
В США задолго до 1986 г. по экономическим соображениям строительство АЭС но прекращено совсем, а в России после Чернобыля оно было приостановлено. Од-;о сейчас рассматривается вопрос о строительстве атомной станции в Приморье. Несмотря на то, что за последнее десятилетие появилилсь новые технологии, работаны, по мнению специалистов, абсолютно безопасные реакторы, у насе-[ия после Чернобыльской катастрофы выработалось неприятие к АЭС.
Основные проблемы атомных станций связаны с долговременной утилизаци-отходов и с выведением станции из эксплуатации через 25-30 лет из-за потери ічности материалов. А в период их эксплуатации основными факторами загряз-ия выступают радиация от охлаждающей воды, активизированные микро-тицы, проникающая радиация, представляющие серьезную опасность для всего soro. Есть опасность, что долговременные саркофаги будут разрушаться и тогда иоактивное загрязнение может попасть в грунтовые воды, в почву, через них в дукты питания. Некоторые противники дальнейшего строительства АЭС, как, например, іссийский академик А.Яблоков, предлагает сделать так называемую "газовую узу", т.е. перейти на газовое топливо, пока не будет решена проблема захороне-я отходов. А за это время можно попутно решить множество задач, связанных с учшением конструкций реакторов, оборудования контроля и вентиляции, систем истки отходов и снижением теплового загрязнения окружающей среды.
Возможно, к тому времени будут найдены способы существенного удешевле-я производства недобавляющей экологически чистой солнечной энергии. Гидроэлектростанции, использующие экологически чистый возобновляются источник энергии, тем не менее, также наносят ущерб окружающей среде, «еняя ландшафт, био- и геоструктуру близлежащих районов, климат и структуру іного стока [33, 48, 140, 169, 170, 172, 188].
Кроме прямого отрицательного воздействия, которое известно заранее топление площадей, сокращение продуктивности заливных лугов ниже уровня ітиньї, вымирание речной флоры и фауны и т.д.), через некоторое время, уже ез 5-Ю лет после пуска прослеживается изменение теплового баланса прибреж районов водохранилища и водной поверхности, влияющее на знак и значение пературы воздуха по берегам реки. В итоге, водохранилища ГЭС двояко влия-на локальные климатические условия — утепляют или увлажняют их. При этом ажняющее воздействие водохранилищ сравнительно невелико. Акватория воз-гтвует, в основном, на нижнюю облачность, что способствует увеличению сумной радиации на берегах, а это, в свою очередь, косвенно влияет на раститель-І покров районов побережья. Скорость ветра в теплое время года в прибрежной : выше, чем вне зоны влияния водохранилища. В результате, при сильном об-іении почв на берегах некоторых водохранилищ образуется полоса повала ле-ширина которой достигает 80-100 м. Следовательно, оценка новых черт кального климата побережья крупных водохранилищ может быть однозначной, одной стороны, усиление скорости ветра и снижение температуры замедляют ст древесины в первоначальный вегетационный период, с другой - ускоряют ст из-за отсутсвия поздних заморозков. Энергоэффективность 1 км2 затопляемых ель равнинных водохранилищ в низовьях крупных рек на 1-2 порядка ниже, и у горных ГЭС.
Существенным фактором воздействия на окружающую среду является также гопление, ощелачивание и засолонение замель в районах орошения. По данным гциальных комиссий ООН, ежегодно из мирового сельскохозяйственного произ-цства выпадает до трети миллиона гектаров орошаемых земель вследствии засо-нения при заболачивании. Мало изученным последствием строительства плотин пока является так на-ваемая "наведенная сейсмичность" в зоне расположения мощных гидроузлов и льших по объему водохранилищ. По существующей гипотезе, дополнительные пряжения, создаваемые массой воды в акватории и непосредственно самой пло-ной, способны нарушить равновесное состояние земной коры.
В целом воздействия ГЭС на окружающую среду многочисленны, разноха-ктерны по формам и непременно должны учитываться на всех этапах создания гктростанций — от выбора площадки, установленной мощности, конструк-вного типа сооружений до службы наблюдения за состоянием климата, флоры, уны прилегающих непосредственно к водохранилищу районов. В предвидении серьезных экологических последствий во многих развитых ранах разработана экономическая стратегия, распространяющаяся не только на ергетику, но и на другие отрасли производства и потребления ресурсов, могущие нести ущерб окружающей среде. Эта стратегия предусматривает ведущую роль сударства в решении экологических проблем. Государство не только принимает законы, направленные на охрану окру-ющей среды, но и на правительственном уровне обеспечивает условия для их полнения, осуществляя финансовую поддержку экологических программ. Пра-гельствами государств в развитых и уже в некоторых развивающихся странах едятся запреты или ограничения на определенные виды загрязнений, устанавли-ІТСЯ стандарт безопасности в виде предельно допустимых норм концентрации щных и токсичных веществ [186,223].
Это же обстоятельство побуждает и потребителей энергии применять энер-берегающие технологии, так как и без того высокая стоимость энергии у величается из-за издержек на охрану окружающей среды. В противном случае прихо-гся сокращать объем производства.
В ряде стран введены налоги на охрану окружающей среды, за счет которых, астности, осуществляются мероприятия по ликвидации последствий загрязне-[, когда его источник не установлен. Если виновник обнаружен, то ему предъяв-этся штрафные санкции. Производителям выгоднее вкладывать средства вЪко-ически чистые технологии, чем платить громадные штрафы.
На уровне правительств страны создают объединения на региональном, кон-іентальном и планетарном уровнях для решения экологических проблем (в ргетике экологические проблемы рассматриваются в МИРЭК — Международ-i энергетическом конгрессе).
Уже не вызывает сомнений тот факт, что экологическая катастрофа, произо-циая в одной точке Земного шара, отразится и в других местах. Ярким приме-[ этого служит катастрофа в Чернобыле.
Учет временной неравномерности прихода возобновляющихся источников энергии в энергетических расчетах микроэнергокомплексов
Для развивающихся стран использование местных возобновляющихся энергетических ресурсов является актуальным еще и потому, что добыча, переработка или экспорт органического, и тем более атомного, топлива дороги и требуют постоянных значительных издержек при эксплуатации энергетических установок [5,63, 89].
Возобновляющиеся энергетические ресурсы, такие, как гидравлические, фотоэлектрические и ветровые, обеспечивают дешевую эксплуатацию энергоустановок [4, 9, 17, 114, 152, 202, 319]. Однако они непостоянны во времени, имеют существенную внутрисуточную и внутрисезонную изменчивость (рис. 4.1) [15, 37, 40, 41, 99, 109, 120, 127, 128, 138, 146]. Это усложняет расчеты по выбору параметре таких энергетических установок и определению режима их работы при анализе экономической эффективности [161, 174]. Здесь необходимо учитывать действие климатических факторов, влияние хозяйственной деятельности человека и др.
В последующих параграфах приведена методика оценки возобновляющихся энергетических ресурсов (солнца и ветра) с точки зрения дальнейшего использования при выполнении оптимизационных расчетов по обоснованию параметров микроэнергокомплекса, включающего гидроэлектростанцию, солнечную фотоэлектрическую установку и ветроэнергетическую установку.
Анализ в качестве примера выполнен для условий Шри-Ланки, расположенной в тропической зоне и имеющей субэкваториальный и экваториальный мус-сонный климат. Методика анализа применима и для стран, находящихся в других природно-климатических условиях.
В пределах широкого тропического ветрового пути в южно-азиатском регионе имеются три ярко выраженных ветровых режима [350, 377]. В периоды с марта по апрель и с конца октября по ноябрь — тяготеющий к экватору режим межтропической скапливаемой зоны (МТСЗ). Страны, расположенные вблизи экватора, подвержены слабым ветрам, дующим в различных направлениях ("штиль"). К маю, когда режим МТСЗ движется в северном направлении, на остров оказывают влияние юго-восточные ветры, дующие через экватор в сторону северного полушария. Сила этих ветров увеличивается за счет пониженного давления термических центров на северо : западе Индии. Пересекая экватор, в результате эффекта Кориолиса ветры отклоняются в юго-западном направлении, образуя в результате ветровой режим, называемый юго-западным муссоном. Этот режим сохраняется приблизительно до конца сентября. Во время зимы в северных районах центральной части азиатского континента формируется интенсивный стабильный центр ветров, дующих из этого центра, которые, соединяясь с тихоокеанскими ветрами, образуют северо-восточный муссон.
Северо-восточный муссон обычно ощущается странами юго-восточной Азии. В этот период ветровой режим в районе Индии характеризуется, главным образом, северо-восточными ветрами, накапливаемыми активными квази-муссонными потоками местного характера, образуемыми в зонах высокого давления. В Шри-Ланке этот ветровой режим называется северо-восточным муссоном. , Таким образом, климат Шри-Ланки имеет два основных периода, определяемых юго-западным и северо-восточным муссонами. Периоды, когда наблюдается штиль, называется межмуссонным, при этом за счет локальных градиентов давления, хотя и незначительных, формируется локальный ветровой режим. Таким образом, ветровой режим Шри-Ланки можно характеризовать следующим образом [350]: Северо-восточный муссон (СВ) Декабрь — февраль Первый межмуссонный (ММ-1) Март — апрель Юго-западный муссон (ЮЗ) Май — сентябрь Второй межмуссонный (ММ-2) Октябрь — ноябрь Как показано на рис. 4.2, ветровой режим на юге Шри-Ланки строго соответствует основному ветровому режиму всего острова. Но, что касается силы ветра, интенсивности, суточного поведения, то отличительной чертой ветрового режима на юге является частая смена направления ветра в период муссонов. Из всех сезонов самое большое его непостоянство наблюдается во время юго-западного муссона, когда более 90% времени направление ветра меняется от 210 до 270 (рис. 4.3). В период северо-восточного муссона около 80% времени направление ветра меняется от 0 до 30. Во время межмуссонных периодов направление ветра меняется в большей степени. Однако, во время второго межмуссонного периода юго-западные ветры имеют продолжительность в 62% от длительности всего периода, что, вероятно, объясняется задержкой юго-западного муссона до середины октября. Как видно из рис. 4.4, местный ветровой режим характерен различной силой ветра в течение суток. Резкое увеличение скорости ветра начинается около 7 ч утра и достигает максимального значения около 15 ч, что указывает на то, что непостоянство атмосферы в дневное время влечет за собой значительное увеличение скорости ветра. Ночью ветровой режим остается удивительно постоянным. ; ческой зависимости между скоростями ветра и длительностью периода с этими скоростями в течение года (рис. 4.5). При отсутствии натурных данных используется (см. рис. 4.5) известное распределение Вейбулла [350, 378]. Однако такой подход не позволяет знать, какими будут скорости ветра в данный период года (календарный месяц, сутки). Поэтому оно не может быть непосредственно использовано для расчета календарных режимов ВЭУ. Более подробной является информация об изменении в течение года среднемесячных и среднесуточных скоростей ветра, а также внутрисуточное их распределение для характерных месяцев года. На ее основании можно построить подробную модель работы ВЭУ, которая позволяет обоснованно подойти к назначению параметров этой энергоустановки, а также определить резервы и дублирование мощностей при работе ВЭУ в комплексе с энергоустановками других типов.
