Содержание к диссертации
Введение
1. Географическое расположение, развитие экономики и энергопроизводства Вьетнама
1.1. Географическое расположение Вьетнама 15
1.2. Развитие экономики и энергопроизводства 23
1.3. Вывод 41
2. Геотермальная энергия, энергия биомассы, тепловая энергия океана и энергия рек
2.1. Возобновляемые источники энергии во Вьетнаме 42
2.1.1. Геотермальная энергия 42
2.1.2. Энергия биомассы 44
2.1.3. Тепловая энергия океана 47
2.1.4. Энергия рек 50
2.2. Вывод 53
3. Ресурсы солнечной энергии
3.1. Солнечная энергия и ее использование 55
3.2. Методы определения запасов энергии солнечного излучения 57
3.3. Определение запасов энергии солнечного излучения во Вьетнаме 72
3.4. Выводы о ресурсах солнечного излучения Вьетнама и перспективы использования 91
4. Ветровые энергетические ресурсы
4.1. Энергия и мощность ветрового потока 95
4.2. Методы определения ресурсов ветровой энергии 97
4.3. Расчет ресурсов ветровой энергии Вьетнама 109
4.4. Перспектива использования потенциала ветровой энергии во Вьетнаме 111
5. Энергетические ресурсы океана
5.1. Энергетический потенциал волн 113
5.2. Энергия океанических течений 117
5.3. Энергия и мощность приливов 118
5.4. Запас энергии волн и приливов во Вьетнаме 124
6. Методика выбора варианта электроснабжения удаленного потребителя во Вьетнаме
6.1. Общие предпосылки для расчета 127
6.2. Общий порядок расчета электроснабжения удаленного потребителя 139
6.3. Примеры расчета 142
6.3.1. Расчет электроснабжения сельского потребителя горного района на севере Вьетнама. 142
6.3.2. Расчет электроснабжения частного дома в городе Хайфонг 147
Заключение 150
Список литературы 153
Приложения 161
- Географическое расположение Вьетнама
- Методы определения запасов энергии солнечного излучения
- Методы определения ресурсов ветровой энергии
- Расчет электроснабжения частного дома в городе Хайфонг
Географическое расположение Вьетнама
Социалистическая республика Вьетнам (СРВ) расположена на территории Индокитайского полуострова (см. рис. 1.1) в северном тропическом поясе между линиями 8 и 23,45 северной широты и линиями 100 и 110 долготы [54,57]. С юга и востока Вьетнама - южно-китайское море. С севера - граница с Китайской народной республикой. С юго-запада - граница с Камбоджой. С северо-запада - граница с Лаосом.
Вьетнам имеет общую длину морского побережья около 3260 км и территорию площадью 331000 км2. Вся территория состоит примерно из 68% горных районов и 32% равнины [59] . Вдоль страны по линиям границы с Лаосом и Камбоджей располагается хребет Чыонг Шон. Все горы имеют высоты не более 3150 м над уровнем моря.
Болшинство островов, находящихся в территориальном составе Вьетнама имеет площадь от 1 до 2 км2 и небольшие высоты (не более 600 м) над уровнем моря. Самый большой остров Вьетнама - остров Фу Куок с площадью около 660 км2 и высотой 945 м.
Южно-китайское море имеет особенность в расположении: оно ограничивается множествами островов и полуостровов, например: полуострова и острова в составе Малайзии, Сингапурские, Индонезийские и Филиппинские острова.
Глубина моря вдоль побережья страны до линии 110 долготы составляет от 50 до 70 м, местами до 200 м (рис. 1.2), что является благополучным условием для многих работ по освоению природных ресурсов под водой [62] . Кроме этого, южно-китайское море характеризуется направлением течения по сезонам [31,62,65,66]. Имеется два основного направления течения в году: зимой в периоде с октября до марта под влиянием ветра с северо-востока морское течение имеет юго-западное направление.
В периоде с мая до августа под влиянием ветра с юго-запада течение имеет северо-восточное направление (по часовой стрелки) [68]. Конечно, в зависимости от месяца и от рельефа прибрежных районов имеются местные локальные течения, направления которых отличаются от двух вышесказанных (рис. 1.3 и 1.4) [72].
Географическое расположение имеет большое влияние на климатическое условие Вьетнама и создает для него очень сложный характер [36,53,57,58,63]. Имеется два разного сезона по температуре воздуха: холодный и жаркий. По мере движения на юг, разница между сезонами уменьшается
Холодный сезон начинается примерно с октября и кончается в конце марта в соответствии с направлением ветра, принесущего холодный объем воздуха с северо-востока (рис. 1.5) и характеризуется спадом среднедневной температуры воздуха ниже 20С. Самая низкая температура воздуха наблюдалась на высоких горных районах вблизи северной границы с Китаем и составлялась около 0С. В остальных районах северной части страны температура в этом сезоне колебается от 12С до 2 0С.
Жаркий сезон определяется с апреля до конца сентября.
Ветер в большинстве районов страны.дует со стороны юго-запада (рис. 1.6) [30,34,40,41,74]. Среднедневная температура воздуха колебается от 25С до 33С. Максимальная температура наблюдалась в июне 1997 года и составляла 39С. Особенно в средней части страны от Ку-ангбинь до Фухань жаркий сезон характеризуется направлением ветра с запада. Этот ветер является продолжением ветра с юго-западной стороны, который отдал большую часть влажности на территориях Камбоджи, Лаоса и западной стороне хребета Чыонг Шон (рис. 1.6). Поэтому в это время года здесь характерны большая температура воздуха (33-41С) и малая влажность (менее 60%, даже иногда достигалась 30-40%) [61]. В этом районе жаркий сезон часто сопровождается большими лесными пожарами, принесущими огромные ущербы для нашей страны и неизбежно внесущими большие доли в нарушение экологического баланса природы и загрязнение окружающей среды [53] . На юге страны температурный режим воздуха более стабильный [53,57]. В течение года температура изменяется в пределе от 25 до 38С. Редко бывает, когда она поднялась до 41-43С. По результатам натурных измерений осадков, во всей стране также разделяется два сезона: сухой и дождливый. Обычно дождливый сезон начинается в мае и заканчивается в ноябре с максимальными осадками в июне и сентябре [48,49,61]. В среднем осадки составляют 30-70мм/месяц в сухом и 200-250мм/месяц в дождливом сезоне.
Дождливый сезон храктеризуется большими ливнями и тропическими штормами со скоростью ветра от 12,5 до 33 м/сек и более. Штормы часто сопровождаются с большими разрушениями и ущербами для нашего народного хозяйства [32,35,38,50,51]. На территории Вьетнама солнечное излучение распределяется неравномерно по районам, но по всей стране среднегодовое значение составляет в пределе 2,5-7,5 кВт.ч/м2 в сутки [55,56,61]. В среднем число часов солнечного сияния находится в пределе от 7 0 до 20 0 часов в месяц. На юге Вьетнама максимальная продолжительность солнечного сияния имеет место в периоде с декабря до мая и составляет 180-220 час/месяц, на севере в том же периоде 160-180 час/месяц. В год в среднем имеем 1800-2000 часов солнечного сияния.
Распределение температуры во Вьетнаме тоже имеет свою специфику. В холодное время года температура повышается по мере движения к югу, но в жарком сезоне все наоборот (рис. 1.7).
В общем климат Вьетнама имеет относительно определенную закономерность, которая в свою очередь облегчает изучение и освоение природных ресурсов в пользу народного хозяйства [57]. Но во многих случаях при проектировании и строительстве необходимо учитывать особенности локального климата в каждом отдельном районе страны.
Методы определения запасов энергии солнечного излучения
Существует два способа определения количества солнечной радиации, поступающей на Землю. Первый способ заключается в проведении измерений, осуществляемых сетью метеостанций с последующей статистической обработкой результатов измерений, а второй основан на использовании расчетных математических методов [8,23].
Во Вьетнаме в связи с наличием сети из 22 метеорологических станций и особенностью географического расположения страны будем использовать комбинированный метод определения величины солнечной радиации. Для этого выполним следующие:
- Анализ общей закономерности распределения солнечной радиации;
- Анализ математических формул для определения солнечной радиации и результатов вычислений по данным формулам;
- Сравнение измеренных данных метеорологических станций с результатами вычислений для выяснения возможной закономерности распределения солнечной радиации на территории Вьетнама;
- Преобразование математических формул определения солнечной радиации в виды, подходящие для применения в условиях Вьетнама;
- Проверка достоверности результатов вычислений.
Если возможно установить закономерность распределения солнечной радиации на территории Вьетнама, то эти формулы вполне можно использовать для определения солнечной радиации в смежных районах (между метеостанциями) Вьетнама, где отсутствуют измеренные данные солнечной радиации.
Солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, разделяется на суммарную Rs, прямую Rnp, диффузную R, и отражающую Ro-гр радиацию (см. рис. 3.1).
Прямая солнечная радиация Rnp представляет собой направленный поток излучения, поступающего непосредственно от Солнца до приемной плоскости. Диффузная радиация Кд поступает на Землю от остальной части небесной полусферы, претерпевая рассеяние при прохождении через атмосферу. Отражающая радиация R - часть солнечной радиации, которая отражается от поверхности Земли на наклонную поверхность. Суммарная солнечная радиация Rs включает в себе все виды излучения и выражается следующей формулой: % = Rnp + Rfl + Ro , [кВт/м2] (3.1)
Если рассмотреть поток излучения, падающий на площадку, расположенную над атмосферой на расстоянии 1,496.108 км от Солнца (среднее расстояние от Земли до Солнца) и направленный под углом в к нормали к плоскости площадки (см. рис.3.2), то имеем: Rz = Ro -cos9, [кВт/м2] (3.2) здесь Rs - проекция Ro на нормали к плоскости приемника и обозначает интенсивность потока, перпендикулярного плоскости приемника.
Не трудно видеть, что вне атмосферы при 9=0, т.е. для площадки, перпендикулярной солнечному потоку имеем Rz = Ro = 1,353 кВт/м2.
При изменении угла 9 по времени из (3.2) можно получить суточную облученность Эсут, которая представляет собой полную энергию солнечного излучения, приходящуюся на единицу площади поверхности за день: Эсут = jRz(t)dt= RoCOs9{t) .dt, [кВт.ч/м2] (3.3) где Td - продолжительность дня, т.е. число часов между восходом и закатом Солнца, можно определить по формуле: Td = —.arccos (gcp.tg5) , (3.4) где ер - широта местности, 5 - склонение Солнца, т.е. угол между направлением к Солнцу и экваториальной плоскостью: 5(n) = 50.sin[360(284+n)/365]/ (3.5) где п - номер дня года (п=1 соответствует 1 января). 5о = 23,45 - максимальный угол между земной осью вращения и нормалью к плоскости ее вращения вокруг Солнца. Для северного полушария 5 плавно меняется от 23,45 в период летнего солнцестояния до -23,45 в период зимнего солнцестояния (см. рис. 3.3).
Для расположения приемника на рис. 3.4 в формулах (3.2) и (3.3) при определении величин % и Эсут большую роль имеет величина угла падения лучей 9, которая опре деляется следующей формулой [8]: cos0= (sin pcosp-cos(psin(3cosY) sin5+ [sin(3sinysinQ+ (coscpcosjS+sincpsinPcosY) coso] cos5, (3.6) где: (3 - угол наклона плоскости приемника, т.е. угол между рассматриваемой плоскостью и горизонтальной, 0 (3 90 для поверхностей, обращенных к экватору, 90 (3 180 для поверхностей, повернутых от экватора, у азимут, или отклонение от меридиана проекции на горизонтальную плоскость нормали к поверхности приемника, Y=0 - для плоскости, строго ориентированной на юг, или для горизонтальной плоскости, Y 0 - ориентированной к западу от направления строго на юг, Y 0 - ориентированной к востоку от направления строго на юг, со - часовый угол местности, т.е. угол, на который Земля поворачивается с момента солнечного полдня [8]: со=(ЗбО/24ч) (tCOJI-124)=15 ч"1 (t30H-124) + (ф-фзон) +"поп, 3-7) где tCoл - локальное солнечное время, t3oH - декретное время зоны, ф- - долгота местности, зон - долгота, на которой находится Солнце, когда t30H соответствует полудню, «поп _ малая поправочная величина, которой часто пренебрегают. Здесь часовый угол со 0 вечером и аКО утром. При ориентации приемника строго на юг (у==0) и его угол наклона (3 равен широте местности (р, то в полдень он окажется повернутым прямо к солнечному потоку И COS0 = coscocos5. Для горизонтальной плоскости ((3=0) из формулы (3.6) получим: cos0=sin9sin5+coscpcos5cosG), (3.8)
Если бы орбита Земли была круглой, то облученность плоскости вне атмосферы можно вычислить по формуле (3.2), но вследствие слабой эллиптичности орбиты величину Ro в (3.2) необходимо заменить на следующую [8]: R.(n) = Ro- [1+e.cos(360.n/365)], (3.9) где n - номер дня в году, Ro= 1,353 - солнечная постоянная, кВт/м2, е = 0,033 - эксцентриситет орбиты.
Так как в течение дня склонение Солнца 5 мало изменяется, то при поставлений (3.8) и (3.9) в (3.3) и интегрируя по времени получим интегральный дневной поток излучения, падающий на горизонтальную площадку вне атмосферы, с учетом эксцентриситета орбиты Земли
Методы определения ресурсов ветровой энергии
Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, является его скорость. Но в зависимости от метеорологических и географических факторов непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по случайному закону. Поэтому точное определение величины ветровой энергии в определенный момент времени представляет собой невозможным и оценку запасов ветровой энергии некоторого региона часто производят приближенно по средней скорости ветра за определенный промежуток времени, например, за сутки, месяц, год или много лет. Суммарную величину ветровой энергии за длительный промежуток времени рассчитывают с высокой достоверностью, поскольку средняя скорость ветра и ее частота распределения в течение года или в многолетнем периоде изменяется мало [8,79].
На практике существует несколько методов определения ресурсов ветровой энергии. Эти методы в большей или меньшей степени основаны на исходных данных, полученных в результате обработки данных метеорологических измерений. Один из наиболее популярных методов был хорошо описан в [2,9] и широко применяется в регионах России и странах СНГ. В этом методе считается известной статистическая характеристика ветра, т.е. дифференциальная повторяемость средних по градциям скоростей ветра t (V) , где t в процентах от Т=8760 часов и V(M/C) ДЛЯ заданных диапазонов скоростей от 0 до V более 30 м/с. Эти данные определенны на стандартной высоте флюгера, т.е. на 10 м над поверхностью Земли. Так же полагается, что известны "роза ветров" или повторяемость скоростей ветра в процентах по восьми характерным румбам и класс открытости местности в данном регионе в баллах Милевского.
На основе этих данных рассчитывают среднегодовую скорость ветра: где Vi - средняя скорость ветра для і-ой градации с повторяемостью ti(Vi), м/с, и строят кривую обеспеченности заданных диапазонов скоростей ветра: где Vimin - нижняя граница і-ого диапазона скоростей, т.е. Vimin V Vimax, м/с; tj(Vj) - дифференциальная повторяемость скоростей ветра, Выражение (4.9) можно представить в другом виде: где Р - вероятность того, что скорость ветра попадает в і-й или более высокий диапазон скоростей. Далее определяют основные параметры распределения Вейбулла-Гудрича [2,8]:
Параметр у определяется из зависимости Fi(Vi) графическим путем нанесения на клетчатку вероятностей Воейкова (билогарифмическая клетчатка):
В формуле (4.11) значения ti(Vi) рассчитываются с равным шагом AVi = 1 м/с. На основе данных класса открытости местности определяется фактический класс открытости [13] : где Kfj и ij - класс открытости и повторяемости по Милевскому в j-ом направлении.
Определение валового потенциала ветровой энергии в современных научных разработках общепринято произвести по принципу использования энергии ветра на определенной высоте h над поверхностью Земли, т.е. на расчетной высоте ВЭУ. В данной работе пересчет средней скорости ветра производится на расчетной высоте ВЭУ п=50м: Vp(h) = (K0/Kf) . (h/h0)a.V0(ho) , [м/с] (4.15) где К0 - класс открытости местности по Милевскому; а - показатель степени, которая в общем случае является функцией времени, скорости, географических и климатических условий местностей. В среднем для предварительных расчетов принимается а«1/7. Удельная мощность ветрового потока определяется выражением: Nyai(Vi)=0,5.p.Vi3, [Вт/м2] (4.16) где р - заданная плотность воздуха, при нормальных условиях р=1,226 кг/м3, а удельная энергия потока по формуле: Eyfli(Vi,ti)=NyHi(Vi) .ti(Vi) .8,76, [кВт.ч/м2.год] (4.17)
Годовая удельная энергия ветра определяется как сумма Еуді (vi/tj.) для всех градаций Vj.: Еудвал= Еуді (Vi,ti)=0,5.p.T.ti(Vi) .Vi3, (4.18) н ы.
Таким образом средняя удельная валовая мощность ветрового потока определяется формулой:
В некоторых случаях эту величину можно определить с помощью формулы А.С. Марченко [2]: где Y и Р параметры распределения Вейбулла-Гудрича.
Как видно, в (4.20) фигурируют только у и (3, при этом нет необходимости рассчитывать ti(Vi) по формуле (4.11) но при этом ошибка вполне допустимо для предварительной оценки ресурсов ветровой энергии [2].
Другой метод в [8] также основан на анализе результатов обработки натурных рядов измерений параметров ветра по времени. По данным измерений строится зависимость tv от V, т.е.: tv=AM(v)/M, (4.21) где tv - вероятностное распределение скорости ветра, AM(v) - число измерений в единичном интервале Av, M - общее количество измерений. Среднее значение скорости ветра V0 определяется выражением: V0=(2tv.V)/(Ztv), [м/с] (4.22) при условии, что функция tv нормализована так, что Stv-Av = 1.
Вероятность tv vz появления ведра со скоростью V, большей некоторой заданной величины Vz, определяется как сумма вероятности всех скоростных интервалов tv.Av, в которых V Vz. Мощность ветрового потока единичного сечения в этом методе так же определяется формулой (4.16), и следовательно величина Nyj\(Vi).Xtv представляет собой функцией распределения энергии ветра.
При анализе функции распределения скорости ветра были получены аналитические выражения, соответствующие экспериментальным данным. Одним из наиболее часто используемых выражений является функция Вейбулла-Гудрича, описана выше формулой (4.11). Причем было доказанно, что хорошее соответствие экспериментальным данным дает параметр у в пределе от 1,8 до 2,3. Исходя из выражения для функции вероятности tv можем определить среднее значение скорости ветра (см. Формулу (4.13))
Расчет электроснабжения частного дома в городе Хайфонг
Рассмотрим пример использования СФЭУ для электроснабжения частного дома в городе Хайфонг. Годовое потребление электроэнергии в данном случае составляет 1500 кВт.ч. В этом городе основной расход электроэнергии идет на кондиционеры для охлаждения воздуха в комнатах летом и водонагревательные устройства для подачи теплой воды в ванную. В настоящее время для приготовления пищи гораздо удобнее и дешевлее пользоваться газовыми плитами. Можно также предложить комбинированный способ электроснабжения, так как в городских условиях потребитель может получить электроэнергию от общей электросети в периоде, когда приход солнечной радиации равен нулю или меньше, чем необходимо.
Рассматривается также необходимость аккумуляции избыточной электроэнергии от СФЭУ для потребления в периоде с нулевой радиации. Известно, что общая в этом случае площадь крыши дома составляет 80 м2, можно предполагать вариант получения теплой воды установкой солнечных коллекторов и таким образом сэкономить часть электроэнергии, которая расходовалась бы на водонагреватель ные устройства.
Исходные данные приведены в табл. пб.9 и пб.10 приложения б. Аналогично предыдущему примеру, проведем расчет по описанным шагам и с помощью программы ВНСОЛАР определим основные показатели СФЭУ. Результаты расчета приведем в табл. ri6.ll, пб.13 и пб.14. В табл. пб.1 2 перечислены параметры варианта электроснабжения от ЛЭП.
В нашем расчете определено, что для электроснабжения данного дома в городе Хайфонг с годовым потреблением в 1500 кВт.ч и по заданному графику нагрузки (рис. пб.6) использованием СФЭУ данной конфигурации (табл. пб.5) потребуется 16 модулей. Общая стоимость модулей и затраты на установки сопутствующих оборудований (инверторы, аккумуляторы и пр.) составит в размере 4375 долл. Стоимость кВт.ч электроэнергии составит 2250 VND (VND -денежная единица Вьетнама).
При анализе социально-экономических условий в городе Хайфонг выяснилось, что для такого дома при использовании услуг муниципального органа по электроснабжению от общей сети ЛЭП среднемесячная оплата за электроэнергию (100-150 кВт.ч в месяц) составляет 55000-800000 VND или в 5300 VND/кВт.ч, т.е. примерно в 2,3 раза дороже, чем при использовании СФЭУ. Поэтому ЛЭП можно использовать в качестве альтернативного варианта для покрытия пиков нагрузки, или в периоде нулевого прихода солнечной радиации, как сказано выше.
Аналогично предыдущему примеру, по (6.5) можно определить срок окупаемости установок Ток 1,2 года (при сроке службы СФЭУ Тсл 20 лет и пренебрежении издержек). В данном случае экономический эффект от использования СФЭУ по (6.6) составит Эф 987 0 долл.
В городе Хайфонг среднегодовая температура воздуха составляет 23,8С и в течение года температура воздух находится в пределе 16 - 29С. Поэтому для данного дома также используется схема охлаждения модулей эстествен-ной вентиляцией воздуха, как в вышеизложенном примере.
При использовании СФЭУ также необходимо учитывать реальный факт о том, что СФЭУ являются экологически чистыми, поэтому в городских условиях обладают большое преимущество перед другими установками.
Если в ближайщем десятилетнем периоде не намечается глобальное изменение в электроснабжения населения со стороны Минэнерго Вьетнама, то по нашим расчетам, использование СФЭУ в городских и сельских семьях является весьма привлекательным способом электроснабжения благодаря простоте в установке и монтажа оборудований со сравнительной дешевой стоимостью электроэнергии по отношению к государственной цене за использование кВт.ч электроэнергии от общей сети.
