Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и перспективы развития энергетики мьянмы и мировой солнечной энергетики
1.1 Общие сведения о Мьянме 13
1.2 Экономика Мьянмы на современном этапе 14
1.3 Современное состояние топливно-энергетического комплекса Мьянмы 16
1.4 Использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии Мьянмы
1.5 Состояние и перспективы развития мировой солнечной энергии 24
1.6 Выводы по первой главе 26
2 Постановка задачи 27
2.1 Общая постановка задачи 27
2.2 Выводы по второй главе 35
3 Разработка и исследование методов совершенствования информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов мьянмы 36
3.1 Современное информационное обеспечение гелиоэнергетических расчетов в мире и Мьянме 36
3.2 Методы расчета ресурсов солнечной энергии . 41
3.3 Методы расчета оптимизации угла наклона приемника солнечной радиации 42
3.4 Расчет ресурсов солнечной энергетики в Мьянме 45
3.5 Выводы по третей главе 63
4 Исследование энергетических характеристик типовых автономных сельских потребителей в регионах мьянмы и их особенностей
4.1 Исследование региональных характеристик для выбора расчетных 65 регионов по территории Мьянмы
4.2 Исследование типовых уровней возможного электропотребления в 68 сельской местности Мьянмы
4.3 Выводы по четвертой главе 85
5 Исследование эффективности использования солнечных фотоэлектрических установок в системах электроснабжения автономных сельских потребителей в регионах мьянмы
5.1 Расчет оптимальных параметров СФЭУ по критерию минимальной стоимости вырабатываемой энергокомплексом электроэнергии
5.2 Исследование экономической эффективности использования солнечных фотоэнергетических установок в системах электроснабжения автономных сельских потребителей в регионах Мьянмы
5.3 Выводы по пятой главе 103
Заключение 105
Список литературы
- Современное состояние топливно-энергетического комплекса Мьянмы
- Методы расчета ресурсов солнечной энергии
- Исследование типовых уровней возможного электропотребления в 68 сельской местности Мьянмы
- Исследование экономической эффективности использования солнечных фотоэнергетических установок в системах электроснабжения автономных сельских потребителей в регионах Мьянмы
Современное состояние топливно-энергетического комплекса Мьянмы
Электричество является наиболее целесообразной формой энергии и ключевым фактором экономического развития в любой стране. C XIX-го века большая часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания органического топлива (нефть, газ, уголь, и др.). Однако громадный масштаб сжигания органического топлива опасен для экологии нашей планеты. С другой стороны, органическое топливо уже в ближайшей перспективе (2020г.) сможет удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Вследствие этого, цена на органическое топливо будет постоянно расти. Поэтому нетрадиционные возобновляемые источники энергии должны использоваться всюду, где это технически возможно и экономически оправдано.
Электростанции на основе новых нетрадиционных возобновляемых ресурсов (солнце, ветер, геотермальная энергия, биомасса, энергия океана) приобретают в настоящее время все большее значение. Сегодня в мире нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ) обеспечивается более 20% энергопотребления. Особое внимание в мире уделяется освоению солнечной и ветровой энергетики.
Солнечная энергия универсальна с точки зрения возможностей ее использования человеком для своих нужд. Солнечное излучение может быть относительно легко преобразовано в тепловую, механическую, электрическую энергии, а также его используют в химических и биологических процессах. Солнце является самым мощным источником энергии нашей планеты. Годовой приход солнечной радиации во всем мире составляет (10691015) кВт.ч/год[4]. Это почти в 60000 раз больше чем электропотребление мира в 2010 году.
В топливно-энергетическом комплексе Мьянмы в настоящее время самой актуальной проблемой является дефицит электроэнергии и, в особенности, в энергоснабжении многочисленных сельскохозяйственных потребителей, не имеющих связей с энергосистемой страны. Мьянма имеет высокий потенциал солнечной энергии(СЭ)[1] и использование солнечной энергии становится одним из перспективных решений данной проблемы. В последние годы, в некоторых отдаленных районах Мьянма начали использовать солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ). Для эффективности использования СФЭУ в Мьянме, необходимо исследовать ресурсы солнечной энергии и проводить экономические расчеты использования СФЭУ.
В Мьянме использование СФЭУ находится только в начальном этапе и исходная информация по солнечным ресурсам ограничена и имеет недостатки с точки зрения требований современных гелиоэнергетических расчетов. Для повышения эффективности использования солнечной энергии Мьянмы в данной работе исследованы пути совершенствования информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов для определения валового и технического потенциала солнечной энергии.
На основе мирового опыта можно выделить три основных направления использования СФЭУ: работа СФЭУ в составе большой объединенной энергетической системы (ОЭС); работа СФЭУ на локальную энергосистему (ЛЭС) относительно небольшой мощности; работа СФЭУ на автономного потребителя. В данной работе проведены исследования для использования СФЭУ автономного потребителя, так как в Мьянме больше 70% населения не имеет связь с энергосистемой[58].
Гарантированная мощность любой СФЭУ равна нулю из-за особенностей временной цикличности прихода солнечного излучения на Землю (день-ночь)[4]. Поэтому для полного покрытия электропотребления автономного потребителя и повышения надежности энергоснабжения, в данной работе принято, что СФЭУ совместно работает с аккумуляторными батареями и дизельной энергоустановкой (ДЭУ).
Целью данной работы является повышение информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов, оценка ресурсов солнечной энергии Мьянмы и выявление перспективных районов для использования СФЭУ, разработка методического, математического и программного обеспечения по обоснованию проектов энергокомплексов (ЭК) на базе СФЭУ и анализ эффективности использования ВЭ в разных регионах страны.
Актуальность темы диссертационной работы
Одной из актуальнейших проблем, которые сегодня характерные для большинства развивающихся стран мира, является необходимость значительного повышения удельного потребления электроэнергии на одного человека в сельскохозяйственных регионах, население которых, как правило, составляет подавляющую часть всего населения страны. Именно этот показатель является основным, характеризующим и определяющим для оценки уровня социальной жизни этих стран.
Всем этим особенностям полностью соответствует современная Мьянма, где численность сельскохозяйственного населения составляет более 70% всего населения страны при крайне низком уровне удельного потребления электроэнергии на одного человека в 166 кВтч/чел.год в 2013 году, что примерно в 20 раз меньше чем среднее потребление энергии для мира в целом. Эта ситуация осложняется еще и тем, что только 28% населения страны имеет связь с объединенной энергосистемой страны (ОЭС), хотя и она не может обеспечить гарантированное круглосуточное обеспечение электроэнергией всех видов потребителей, включая города и деревни (как правило - примерно 12 часов в сутки летом)[45] .
Методы расчета ресурсов солнечной энергии
Мьянма - государство в западной части Индокитайского полуострова Азии. До 1989 года страна официально называлась Бирма. Она расположена между 932 и 28 31 градусами северной широты и между 9210 и 101 11 восточной долготы. Площадь страны составляет 678500 км2. На западе Мьянма граничит с Бангладеш и Индией, на севере и северо-востоке с Китаем, на востоке - с Лаосом, на юго-востоке - с Таиландом. Общая протяженность границы - 5876 км, из них 2185 км приходится на границу с Китаем, 1800 км -на границу с Таиландом[43]. С юго-запада страна омывается водами Бенгальского залива, с юга - водами Андаманского моря. Длина береговой линии равняется 2832 км. В состав Мьянмы входит архипелаг Мьюи (Мьей), находящийся в Андаманском море. Протяженность страны с севера на юг составляет 2051 километров и 936 километров – с запада на восток[51].
Две трети Мьянмы находится между экватором и северном тропиком, поэтому на большей части страны преобладает тропический и субтропический климат, формирующийся под влиянием муссонов[18]. Выделяются три сезона: дождливый, длящийся с конца мая по конец октября; прохладный - с конца октября по середину февраля и жаркий - с середины февраля по конец мая[55]. Среднегодовая температура окружающей среды находится в пределах от 22 С до 27 С , однако в 70% территории страны в марте и в апреле температура превышает 40 С днем, однако в некоторых северных регионах, расположенные в высоких горах, температура снижается до 0 С в прохладный сезон[54].
В Мьянме живет 135 национальностей[56]. Население страны составляло более 60 миллионов при годовом росте населения – 0,8% в 2012 году[57]. Более 70% населения страны живет в сельской местности в более чем 60000 деревнях. На рис. 1.1. представлена карта Мьянмы.
Мьянма провела около 50 лет в отрыве от мировой экономики. С 1960 годов до 2011 года в стране армия захватывала власть в стране. Многие страны, включая США, Канаду и Европейский союз, ввели инвестиционные и торговые санкции в отношении Мьянмы. США ввели полный запрет на импорт из Мьянмы. В результате этого Мьянма стала одной из самых бедных стран Азии. В 2011 году в Мьянме произошли серьёзные политические и экономические реформы. Вследствие этого, в 2011 году иностранные инвестиции увеличились на 6670 процентов по сравнению с 2009 годом[44]. Годовая инфляция страны составляла 36 % в 2007 году, однако последние 4 года ее среднее значение составляет только 4%[61]. На рис. 1.2. показано изменение годовой инфляции за последние годы
Годовая инфляция Мьянмы Валовой внутренний продукт (ВВП) Мьянмы быстро увеличивается в последнее время. На рисунке 1.3 представлен график реального роста ВВП страны по годам, которые рассчитал Всемирный банк ( World Bank)[59,62]. Мьянма- богата природными ресурсами (нефть, газ, драгоценные камни). До сих пор экономика страны сильно зависит от экспорта нефти, газа и драгоценных камней и сельского хозяйства[22]. Как и во многих развивающихся странах, большая часть населения Мьянмы (более 70%) занимается сельским хозяйством. Главной продукцией сельского хозяйства является рис. В настоящее время многие страны сняли экономическую блокаду Мьянмы и иностранные инвестиции интенсивно поступают в страну[14]. Состояние экономики страны постоянно улучшается(см. рис. 1.3)[60].
В топливно-энергетическом комплексе Мьянмы в настоящее время самой актуальной проблемой является дефицит электроэнергии. Среднегодовое электропотребление на человека составляет всего 166 кВтч /год в 2012 году. Это в 20 раз меньше, чем в Китае и в 12 раз, чем в Таиланде. На рисунке 1.4 представлены данные об удельном электропотреблении на одного человека в Мьянме и в соседних развивающихся странах[53]. Из приведенных на рисунке.1.4 данных следует, что уровень электропотребления в Мьянме является самым низким в юго-восточной Азии.
Население городов, где сосредоточено основное промышленное производство, составляет меньшую часть населения страны, но при этом потребляет основную часть выработки электроэнергии страны. Удельное потребление электроэнергии в городах в несколько раз превышает потребление энергии в селах. Однако и население городов не обеспечено 24-х часовым использованием электроэнергии.
Централизованным снабжением электроэнергией обеспечено только 28% населения Мьянмы в 2013 году. Схема объединенной энергосистемы страны показана на рис. 1.5 . В стране к ОЭС не подключено 172 города и более 40000 деревень. Во многих городах и деревнях частные инвесторы продают электроэнергию, полученную от ДЭУ по цене в (50 – 90)цент/кВт. ч[30], что намного выше чем стоимость 1 кВт.ч для централизованных потребителей (3,5 – 7,5 цент/кВт.ч в 2014году)[16]. Стоимость электричества в удаленных регионах Мьянмы намного дороже, чем в соседних странах, поэтому там не все жилые дома могут использовать электричество даже в целях освещения[20].
В городах, где есть связь с ОЭС, обеспечение электричеством – не круглосуточное (примерно 12 часов в сутки) в сухой сезон, который продолжается с ноября до апреля, когда не может быть использована полностью мощность гидроэлектростанций (ГЭС). По данным Министерства энергетики Мьянмы, для поддержания нормального уровня энергообеспечения страны, выработка электроэнергии должна увеличиться не менее чем в 2 раза[16].
Исследование типовых уровней возможного электропотребления в 68 сельской местности Мьянмы
Для целей решения проблемы расширенного использования солнечной энергии в Мьянме, основное внимание было обращено на слабый уровень информационного обеспечения всех видов гелиоэнергетических расчетов. При этом, особо следует отметить разный уровень данных, требующихся для таких расчетов- для исследования эффективности использования солнечной энергии и выработки электроэнергии для централизованных и децентрализованных потребителей, а также надежности и представительности данных по солнечной радиации (СР) в Мьянме (длительность рядов наблюдений и число гидрометеостанций и их распределения по территории страны). В частности, если для централизованных потребителей достаточны среднесуточные или даже среднемесячные данные по СР, то для автономных потребителей с распределенной энергией требуются, как среднечасовые, так и более детальные данные по СР.
Необходимо также учитывать и то обстоятельство, что детальный системный анализ СР Мьянмы пока еще не проводился. Эта проблема частично была затронута в работе[10] без проведения системных исследований ресурсов СР в Мьянме. Кроме того, в работе [9]было выполнено исследование применения СФЭУ с водяным охлаждением для энергоснабжения автономных потребителей Мьянмы на основе экспертных ориентировочных оценок ресурсов солнечной энергии в стране.
Сегодня в Мьянме находится 46 гидрометеостанций (ГМС) достаточно равномерно распределённых по всей территории страны[1]. Их расположение показано на рисунке 3.1. Однако измерения прихода СР (так называемые актинометрические измерения) проводились и проводятся в очень ограниченном числе ГМС, так как для этого требуется специальное и дорогостоящее оборудование. Сегодня имеются только данные по среднемесячному приходу СР на горизонтальную приёмную площадку по нескольким городам страны и практически отсутствуют данные по СР для сельскохозяйственных территорий, где и расположено подавляющее число потенциально перспективных потребителей солнечной энергии в Мьянме.
.Расположения гидрометеостанций в Мьянме Для решения проблемы повышения информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов в Мьянме, в данной работе проведены исследования по поиску путей решения данной проблемы. В том числе, на основе использования современных специализированных баз данных (СБД) по СР, таких как NASA и Meteonorm [24,26]. Исследования включали в себя поиск устойчивых взаимосвязей между имеющимися ограниченными данными по СР Мьянмы и данными по солнечной радиации в СБД с целью экстраполяции этих данных на всю территорию страны. Для этого для Мьянмы были использованы данные по среднемесячному (среднесуточному для каждого месяца года) приходу СР на горизонтальную приёмную площадку для пяти городов (Тавой, Янгон, Нейпьидо, Мандалай, Мьичина(см.рис.3)) и из СБД NASA и Meteonorm за длительный период наблюдений. В качестве СБД в расчётах использовались современные версии NASA Methodology 3.1 и Meteonorm 6.0[24,26].
В таблице 3.1 представлены данные по среднемесячному приходу СР на горизонтальную приёмную площадку для 5 городов Мьянмы и аналогичные данные из СБД NASA и Meteonorm. [11,24,26]. Из таблицы 3 следует, что для данных из СБД NASA месячная относительная погрешность среднемесячных значений прихода СР находится в пределах от -25% до +9 % и не превышает интервала в среднем от -9% или до +1%. Для данных СБД Meteonorm месячная погрешность по СР находится в пределах от -20% до +25 % и в среднем - от -11% или до +8%. Это означает, что среднемесячные(среднесуточные) данные по приходу СР на горизонтальную приёмную площадку из СБД NASA более корректно отображают реальные значения СР по территории Мьянмы, чем из СБД Meteonorm. В качестве характерного примера представлены данные по СР для города Янгон на рисунке 3.2. Полученные в работе данные позволяют сделать вывод о надежности и представительности данных СБД NASA для расчета прихода СР на горизонтальную приёмную площадку для расчета схем электроснабжения централизованных потребителей при условии использования в качестве математической модели варианта, представленного в последней версии NASA.
К сожалению, на сегодняшний день отсутствуют фактические данные по среднечасовому приходу СР на горизонтальную приёмную площадку для условий Мьянмы. Именно эти данные необходимы для расчета параметров схем электроснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей Мьянмы. В январе 2013 года NASA издал документ под названием “Метеорология и солнечная энергетика” Редакция 3.1.1[25]. В этом документе были представлены математические модели, применяемые для расчета среднечасовых значений прихода СР на горизонтальную приёмную площадку в СБД NASA.
Однако эти модели описывают приход СР только для характерного дня каждого месяца года для некоторых среднесуточных значений склонения солнца и не могут определять среднечасовые значения СР для каждых суток в течении года, что необходимо для обоснования параметров СФЭУ, обеспечивающих работу системы электроснабжения автономных потребителей. Подобные данные сегодня представляет только СБД Meteonorm.
Исследование экономической эффективности использования солнечных фотоэнергетических установок в системах электроснабжения автономных сельских потребителей в регионах Мьянмы
Рассчитанные значения валовых ресурсов СЭ для каждого полигона Мьянмы представлены в таблице 3.3. На основе данных таблицы 3.3 далее было получено значение валовых ресурсов СЭ Мьянмы в целом, который составляет 1,16млн.ТВт.ч/год. В работе [10] также рассчитан валовой потенциал солнечной энергии Мьянмы на горизонтальную площадку, и он составило 1,27 млн.ТВт.ч/год. Поэтому можно делать вывод о достоверности полученных результатов.
Для определения технического потенциала солнечной энергии в Мьянме требуется гораздо больше данных, чем для расчета валового потенциала, в том числе: тип и характеристики потребителей, социальные и экологические ограничения по использованию территорий для размещения СФЭУ, вид, тип и энергетические характеристики запланированных к использованию СФЭУ, вид и тип комбинированных систем распределения энергетики на основе СФЭУ (так как использование только СФЭУ в этих системах не может обеспечить надежное энергоснабжения автономных сельскохозяйственных потребителей Мьянмы) и ряд других данных. Для этого требуется проведение очень объемных системных исследований, которые бы учитывали также длительные планы и перспективы развития экономики страны и ее отдельных регионов, что выходит за рамки данной работы.
В связи со сказанным, в данной работе принята общемировая методика расчета технического потенциала солнечной энергетики Мьянмы, в соответствие с которой этот вид потенциала составляет 0,1% валового потенциала[4], в таком случае он будет равен 1150ТВт.ч/год, что в 115 раз превосходит современный уровень производства электроэнергии в стране.
Как было указано выше, можно повышать приход СР путем ориентации угол наклона приемной площадки. В данной работе исследованы разные способы ориентации солнечных фотоэлектрических модулей по отношению к солнцу. В мировой практике обычно солнечные модули, используемые для энергоснабжения автономных маломощных потребителей фиксированы постоянно на оптимальных углах на крышах дома или на земле. Вследствие этого в данной работе проведены расчеты поиска оптимального угла приемника СР с целью максимизации прихода СР в течение года в целом, и при помесячной оптимизации этого угла.
В качестве примеров на рисунках 3.5 и 3.6 показаны среднегодовые оптимальные углы наклона приемной площадке(ПП) СР и приход солнечной радиации при среднесезонном оптимальном угле установки приемника солнечной радиации (кВт.ч/м2.сутки) в рассматриваемых регионах.
Увеличение прихода СР при этом зависит от местной широты. Чем больше широта местности, тем больше увеличение прихода СР при оптимизации угла наклона приёмной площадки СР. Из анализа данных, представленных на рисунке 3.6 следует, что при среднесезонном оптимальном угле установки приемника солнечной радиации приход СР заметно увеличивается практически везде, кроме в южных регионов Мьянмы. Увеличение прихода СР во многих южных регионах Мьянмы составляет около 3% .Однако в центральных регионах Мьянмы приход СР увеличивается на 8-9 %, а в северных регионах даже на 13% при среднесезонном омтимальном угле установки приемника солнечной радиации. В этом случае валовая энергия солнечной энергии составляет 1,25 млн. ТВт.ч/год, и увеличение прихода СР по всей территории Мьянмы составляет в среднем 8,7%. Значение среднегодовых оптимальных углов приемника СР приближается к значению местной широты, но не всегда равны ей. Из рис. 3.6 следует, что на подавляющем большинстве территории Мьянмы значения среднегодовых оптимальных углов приемника СР больше значения местной широты примерно на 5 градусов. Поэтому для условии Мьянмы, предлагается рассчитать среднегодовой оптимальный угол, Ргод таким образам: ргод = (р + 5 .
В данной работе также проведены расчеты для среднемесячной оптимизации угол наклона приемника солнечной радиации для каждого расчетного региона. Среднемесячные оптимальные углы приемника СР показаны на рисунках, представленных ниже.
