Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возобновляемые источники энергии в мировом энергетическом балансе 8
1.1. Современное состояние и перспективы развития мировой энергетики 8
1.2. Экологические проблемы современного мира, связанные с развитием энергетики 20
1.3. Экологические свойства первичных источников энергии 32
1.4. Перспективы роста потребления первичной энергии в обозримой перспективе 46
1.5. Необходимость в ориентации на возобновляемые источники энергии в энергетике развивающихся стран 53
Выводы по главе 1 60
Глава 2. Экономическая география, энергетика и перспективы развития народного хозяйства ливана 61
2.1. Краткая историческая и политическая справка 61
2.2. Экономическая география 65
2.3. Энергетика и электроэнергетика 72
2.4. Основные тенденции развития народного хозяйства 75
Выводы по главе 2 86
Глава 3, Ресурсы солнечной энергии 87
3.1. Солнечная энергия и технические способы ее преобразования 87
3.2. Методы определения потенциала солнечного излучения 95
3.3. Определение потенциала солнечного излучения в Ливане 114
3.4. Практические перспективы использования энергии солнечного излучения в Ливане 127
Выводы по главе 3 135
Глава 4. Гидроэнергетические ресурсы 136
4.1. Гидрографическая сеть Ливана 136
4.2. Категории гидроэнергетического потенциала в условиях Ливана 143
4.3. Определение потенциала энергии течения рек в Ливане, 148
4.4. Гидроэнергетические установки как регулятор местных электроэнергетических систем в Ливане 151
Выводы по главе 4 153
Глава 5. Энергетические ресурсы ветра, водных масс сре диземноморского побережья ливана и других возобновляемых источников 154
5.1. Энергия и мощность ветрового потока. Методика определения ресурсов ветровой энергии 154
5.2. Определение потенциала ветровой энергии в Ливане, Практические перспективы использования энергии ветра в Ливане 159
5.3. Энергетический потенциал ветрового волнения 165
5.4. Энергетические ресурсы морских приливов 169
5.5. Ресурсы тепловой энергии морей и океанов 175
5.6. Ресурсы геотермальной энергии 178
5.7. Ресурсы энергии биомассы 184
Выводы по главе 5 188
Общие выводы и рекомендации 190
Литература 194
Приложения 213
- Экологические проблемы современного мира, связанные с развитием энергетики
- Экономическая география
- Методы определения потенциала солнечного излучения
- Категории гидроэнергетического потенциала в условиях Ливана
Введение к работе
Последние десятилетия минувшего и первые годы 21 -го века для многих стран стали периодом напряженного поиска новой стратегии энергетического развития, который продолжается и в настоящее время. Необходимые изменения в энергетической политике связаны с осознанием мировым сообществом глобальной экологической опасности, связанной с громадными масштабами сжигания органического топлива; с грядущим истощением в обозримой перспективе и соответствующим повышением мировых цен на нефть; с опасностью использования атомного топлива, включающей и проблемы захоронения радиоактивных отходов.
В этих глобальных усилиях каждая страна по-своему ищет пути решения энергетических проблем, исходя из наличия запасов первичных источников энергии, тенденций развития и ориентации экономики, экологической ситуации в стране, национальных традиций и особенностей, уклада жизни населения и других факторов.
Все сказанное относится и к Ливану, находящемуся в стадии возрождения после разрушительной гражданской войны. Как и в прежние времена, экономика страны, используя удачное географическое положение и прекрасный климат, ориентируется на развитие туризма и сферы банковского обслуживания. Эти области народного хозяйства связаны с присутствием на территории страны многочисленных иностранных гостей, для которых состояние окружающей среды страны пребывания имеет немаловажное значение. Эта особенность налагает определенные ограничения на развитие промышленности, и в первую очередь энергетики.
Необходимые темпы потребления энергоресурсов в Ливане вполне могут быть обеспечены широким использованием экологически чистых возобновляемых энергоисточников — гидроэнергии в разных ее видах, энергии солнца, ветра, биомассы. Для разработки реальных планов развития энергетики Ливана необходима, в частности, оценка экономических ресурсов возобновляемых источников энергии, анализ их территориального распределения и возможностей практического использования. В связи с перечисленным сформулирована цель диссертационной работы — разработать для государственных планирующих органов Ливана научно обоснованные рекомендации по ориентации энергетики страны на широкое использование экологически чистых возобновляемых источников энергии.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи: —исследование основных тенденций развития мировой энергетики и электроэнергетики с учетом их глобального влияния на экологическую ситуацию на Земном шаре; —анализ современного состояния народного хозяйства, энергетики и электроэнергетики Ливана с учетом исторических, национальных, экономических особенностей и тенденций развития страны; —анализ применяемых методик по расчету энергопотенциала возобновляемых источников энергии — солнца, ветра, различных видов гидравлической энергии, геотермальных источников и биомассы и установление возможности использования этих методик для условий Ливана; —подтверждение имеющихся оценок ресурсов возобновляемых источников энергии в Ливане и определение приоритетных направлений их использования; —формулировка задач дальнейших изыскательских, исследовательских и проектных работ, необходимых для уточнения ресурсов возобновляемых источников энергии в Ливане с целью разработки обоснованных планов их использования.
При решении поставленных задач использовались современные методы и средства научных исследований, основанные на применении статистических данных и апробированных методик расчета. Для определения количественных результатов применялась вычислительная техника. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
1. Поставлена и решена задача ориентирования развития электроэнергетики отдельной взятой страны на использование возобновляемых источников энергии с учетом мировых тенденций развития энергетики, обусловленных, прежде всего, неблагоприятным развитием экологической ситуации и истощением ресурсов органического топлива на Земле.
2. Выполнен сравнительный анализ ресурсов возобновляемых источников энергии в Ливане и установлена приоритетность их использования для различных регионов страны.
3. Сформулированы задачи дальнейших работ по уточнению ресурсов возобновляемых источников энергии в Ливане с целью разработки обоснованных планов их использования.
Рабочая гипотеза диссертационного исследования предполагает, что разработка планов развития энергетики и электроэнергетики отдельно взятой страны, в данном случае Ливана, должна производиться с учетом основных тенденций развития мировой энергетики и электроэнергетики; эти тенденции, в том числе, заключаются во всемерном вовлечении в использование возобновляемых экологически чистых источников энергии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Энергетика и электроэнергетика Ливана должны ориентироваться на широкое исползование возобновляемых источников энергии; это будет соответствовать основным тенденциям развития мировой энергетики и улучшению экологической ситуации в стране, а также обеспечит ее экономическую независимость в ближайшем будущем.
2. Использование энергии солнца является наиболее предпочтительным направлением развития электроэнергетики Ливана во всех его областях.
3. Гидравлическая энергия рек имеет определенные перспективы развития в Ливане; гидроэлектростанции являются единственным источником электроэнергии, способным обеспечить стабильность работы электроэнергетической системы, основывающейся пока на выработке тепловых электростанций. 4. Энергия морских ветровых волн, геотермальных источников, ветра и биомассы может с успехом использоваться в соответствующих географических районах Ливана.
Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования разработанных рекомендаций государственными органами Республики Ливан при разработке планов развития энергетической отрасли страны, а также проектными организациями при разработке программ электрификации отдельных отраслей и регионов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и заседаниях кафедры гидроэнергетики и электроэнергетики возобновляемых источников Московского энергетического института (технического университета).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 203 наименований и 7 приложений. Работа изложена на 242 страницах основного текста, включает 61 рисунок, 24 таблицы и 30 страниц приложений.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю диссертационной работы доктору технических наук профессору В.И. Виссарионову за ценные советы и общее руководство исследованиями. Автор благодарен коллективу кафедры ГЭВИ МЭИ (ТУ) за ряд ценных рекомендаций, полученных во время работы над диссертацией.
Экологические проблемы современного мира, связанные с развитием энергетики
В связи с нарушением сложившегося экологического состояния природных объектов, вызванным нарастающим техногенным воздействием, возникают проблемы, связанные с ответным влиянием «деформированной» природной среды на технические и строительные комплексы. Это ответное влияние часто приводит к нарушению работы сооружения и оборудования технических комплексов, является причиной аварийных и кризисных ситуаций, технических катастроф, приводящих иногда к разрушению технических комплексов и строительных объектов. Возникновение кризисных ситуаций связано с тем, что технические комплексы и строительные объекты проектировались и строились в расчете на естественное недеформированное состояние природной среды, параметры которой существенно изменяются в результате техногенного воздействия. Эти ситуации привели к необходимости рассматривать и решать новый класс задач — задач инженерно-экологических.
Современный глобальный экологический кризис, вызванный сильнейшим загрязнением биосферы, назревал в развитых странах постепенно. Его истоки восходят к временам промышленной революции в странах Европы и Северной Америки. Первые признаки выхода биосферы из состояния динамического равновесия, такие как исчезновение лесов, опустынивание земель, эрозия почв и другие локальные разрушения природных структур, связанные с антропогенной деятельностью, появились в прошлом столетии. Ускорение регрессионных процессов и резкое ухудшение экологической ситуации произошло во второй половине XX века, когда на фоне всеобщего потребительского отношения к природе технический прогресс, принесший огромные достижения в науке, технике, производстве, в большинстве своем направленные на повышение комфорта человека, и сильно изменивший социальные условия, быт людей и их образ жизни, нанес громаднейший урон биосфере Земли. Из-за нарастающего потока загрязнений самоочищающая способность ослабленных природных систем существенно уменьшилась. Биота стала не в состоянии полностью утилизировать эти загрязнения, что не замедлило негативно отразиться на окружающей среде, а через нее и на человеке.
Основной поток загрязнений (более 30%) исходит от потребителей и производителей энергии, связанных с использованием органического топлива [7, 11, 12,41,64,101, 102, 112, 132, 154, 183].
Долговременные перспективы развития энергетики — проблема, которая в настоящее время переходит из разряда специальных в одну из центральных проблем мирового сообщества. Энергетика является главным фактором антропогенного воздействия на окружающую среду [1,5, 7, 11, 12, 101, 112,134,154,161,202].
В то же время неоспоримо, что энергетика является основой развития современного промышленного общества. С открытием электричества и разведыванием крупных месторождений нефти связана техническая революция XX века. Уровень использования первичных источников энергии постоянно повышается. Их потребление на душу населения в мире к 1950 г. выросло по сравнению с началом XX века в 2 раза. Следующее удвоение произошло уже к 1975 г. При этом суммарное энергопотребление удваивалось каждые 20 лет, а потребление нефти и электроэнергии — за 10-12 лет. Такой рост объясняется возрастанием энергонасыщенности производства, коммунального хозяйства и резким увеличением численности населения земного шара почти на 75%. В последние годы темпы роста потребления энергетических ресурсов в мире не превышают 2-3% в год [5, 103].
Процесс сжигания органических топлив неизбежно связан с выбросом в атмосферу твердых отходов, углекислого газа и тепла. При этом, если количество твердых выбросов может быть снижено за счет применения специальных устройств, то избежать выбросов углекислого газа и теплового загрязнения атмосферы теоретически невозможно.
На локальном уровне продукты выброса при сжигании топлива (фотохимические смоги) наносят серьезный ущерб здоровью людей. Особенно опасны малорастворимые твердые и газообразные вещества, которые проникают внутрь организма и разносятся с током крови по всем органам или накапливаются в каком-либо одном, в конечном итоге приводя к разрушению организма. Диоксид серы и окислы азота и твердые частицы, выбрасываемые автотранспортом, промышленностью и тепловыми станциями при сжигании органического топлива, особенно сильно влияют на органы дыхания людей и животных. Диоксид серы является причиной гибели растительности и обитателей водоемов, разрушения почв. Двуокись углерода антропогенного происхождения, образовавшаяся в результате сжигания органического топлива, составляет примерно 16% от всех выбросов углекислого газа в атмосферу, равных 86 млрд. т, твердые частицы — 11% от 2,25 млрд. т, серосодержащие 32% от 0,2 млрд. т, азотосодержащие около 1% от 1,43 млрд. т всех природных, первичных и вторичных, и антропогенных выбросов, содержащих данный компонент [101, 112, 134, 146, 154, 161, 190,203]. Сжигание органического топлива означает вовлечение в энергетический оборот источников, которые в своем естественном состоянии не оказывают влияния на энергетический (тепловой) баланс планеты. Количество тепла, дополнительно к естественным процессам выбрасываемого в атмосферу Земли, в последние годы достигает колоссальных значений и это заставляет серьезно задуматься над проблемой ее теплового загрязнения. В связи с этим во всех странах мира возрос интерес к использованию недобавляющей (дополнительно не нагревающей планету) энергии.
Основным природным регулятором содержания углекислого -газа в атмосфере служит океан, в котором содержится в 100 раз больше СОг, чем в атмосфере. Согласно закону Генри, если концентрация СОг в атмосфере (а следовательно, и давление) окажутся выше установленного значения, то океан поглотит большую часть этого избытка, и наоборот (при 0 градусов віл морской воды содержится 50 см углекислого газа и 8 см кислорода при давлении, соответственно, 158,8 мм ртутного столба). Недавно довольно точно вычислили скорость обмена углекислым газом между атмосферой и поверхностным слоем океана: за год океаном поглощается 100 млрд. т СОг [101, 112]. Однако эта способность не беспредельна и определяется медленным процессом погружения и перемешивания океанических вод. Антропогенное загрязнение, помимо двуокиси углерода, привносит в тропосферу и другие крупные агенты парникового эффекта — метан, оксид азота, хлорфторугле-роды (фреон).
В последнее десятилетие не только в научном, но и в широком общественном сознании достаточно прочно укрепилась следующая схема взаимодействия энергетики и климата: образующийся при сжигании органического топлива (угля, нефти и газа) углекислый газ, накапливаясь в атмосфере, задерживает часть отраженного поверхностью Земли солнечного излучения, что приводит к возрастанию температуры последней (так называемый парниковый эффект). Прогнозы повышения сред неглобальной температуры к концу наступившего столетия приводят к значениям в 4-6С по сравнению с до-индустриальной эпохой (до 1850 г.), что существенно выше наблюдавшихся в течение всего четвертичного периода геологической истории (последние 2 млн. лет) [64, 66]. Беспрецедентный рост температуры в течение столь короткого времени вызывает обоснованную тревогу за устойчивость климатической системы в целом и состояние находящихся от нее в полной зависимости гидросферы, биосферы и системы мирового хозяйства. Мировое сообщество готовится к принятию всеобъемлющих мер по защите климата, однозначно понимая под этим предотвращение дальнейшего нагревания земной атмосферы и, как следствие, необходимость тотального сокращения выбросов диоксида углерода, что может быть реально достигнуто лишь за счет уменьшения потребления ископаемого топлива.
Экономическая география
Ливан расположен на северо-западной оконечности Аравийского полуострова, на восточном берегу Средиземного моря, между 33-3345 северной широты и 3510 -36о40 восточной долготы.
Очертания территории Ливана близки к прямоугольнику, вытянутому с севера на юг, протяженностью около 210 км, шириной от 10 до 40 км. Глубоко в территорию государства вдается Великий геологический раскол Magic Folt. На юге Ливана разлом разделяется надвое, обе трещины — в направлении на север. Они называются разломами Яммонех (Yammouneh) и Серхайя (Serghaya). Эти основные разломы разветвляются на множество главных и второстепенных разломов, в результате чего территория Ливана представляет собой высокогорную область, с самой высокой точкой на отметке 3088 м. Между хребтами пролегают глубокие долины.
Географически территория Ливана разделена на четыре региона, имеющих также вытянутую форму: береговая полоса Средиземного моря, западная цепь "Ливан", глубокая плодородная долина Бекаа, восточная цепь "Антиливан". Ливан называют «Швейцарией востока» не только из географических соображений, но и за мягкий субтропический, "настоящий средиземноморский климат и красоту природы. В целом климат страны, лежащей между Средиземным морем и Сирий ской пустыней, имеет теплый мягкий и умеренный характер, доминирует су хая погода, отличающаяся небольшими перепадами температур; их годовые колебания не превышают 20С, а перепад температуры для данного сезона — 10С. Самые холодные дни бывают в декабре-январе, самые жаркие — в ию ле-августе, рис. 2.2. В течение года температура в Бейруте изменяется от 7 до 27С, в Ксаре — от 5,5 до 24С. В горах в декабре-марте температура может опуститься до-7 5С [145, 147]. Среднегодовая температура воздуха на всей территории Ливана составляет 21,3С. Продолжительность светового дня колеблется от 9 ч 56 мин. (в среднем) в декабре до максимального значения 14 ч 22 мин. в июне. Максимальное число ясных дней при облачности не более 2 баллов достигает 24 дня в июне, а минимальное — 7 дней в январе [145].
Преобладающее направление ветра с юго-запада на северо-восток. Относительная влажность воздуха колеблется в пределах 75-72%. Данные по температуре и влажности приведены на рис. 2.2-2.3. В прибрежных районах и на западных склонах гор влажность выше. В среднем самая низкая влажность в ноябре — 64%, самая высокая — в августе — 72%. В горах снежный покров держится несколько месяцев. В стране различают четыре четко выраженных сезона с установившимся соотношением солнечных и пасмурных дней. В Бейруте число ясных дней летом колеблется от 70 до 80. Общее число ясных дней в году достигает в среднем 164 (рис. 2.4), а общее годовое число часов солнечного сияния составляет около 3000 ч [145]. Солнечная погода в среднем сохраняется 325 дней в году. Толщина годового слоя испарения в долине Бекаа составляет 1761 мм, в Бейруте — 1341 мм. В течение года бывает от 70 до 80 дождливых дней. Годовой слой осадков: вдоль береговой линии — 850 мм, в высокогорье — 2500 мм, в долине Бекаа — 250 мм. Отклонения от средних лет по осадкам достигают 50%. В стране много рек, пересыхающих летом. На западных склонах гор кустарниковая растительность, на восточных — степи. Создано несколько заповедников. Ливанский берег в течение многих веков являлся главным узлом торговых, культурных и других связей между востоком и западом, поэтому исторически сложилось так, что практически 3/4 ливанцев проживают в городах и населенных пунктах, расположенных вдоль берега, при этом более половины населения проживает в столице. В 1994 г. 32,2% всего населения, или 938 тыс. человек принадлежало к экономически активной группе общества. Из них в секторе услуг было занято около 39%. Соответствующие показатели для промышленности равнялись 23% и 24%, а для сельского хозяйства 38% и 19%. В 1993 г, уровень безработицы, по данным Всеобщей конфедерации трудящихся Ливана, составлял 35%. В 1999 г. собственный потенциал рабочей силы оценивался в 950 тыс. человек, в 2001 г. — 1,5 млн. чел., кроме того, по оценкам, в Ливане работал почти 1 млн. иностранных рабочих. Норма участия рабочей силы — 39,71% населения (оценка 2001 г.). Уровень безработицы — 18% по оценке 1997 г. и30% в 1999 г. 28% населения находится ниже черты бедности (оценка 1999 г.). В промышленности, торговле, сфере услуг занято 70% работающих, в сельском хозяйстве — 20%, в сфере управления — 10%.
До 1975 г. ливанская экономика опиралась на доходы от сферы туризма и сервиса. Важную роль при этом играла банковская система, построенная по швейцарскому образцу. Доля аграрного сектора от совокупного национального продукта не превышала 20%, а доля промышленности 17%. Страна обеспечивала себя основными сельскохозяйственными продуктами и экспортировала овощи и фрукты в другие страны, в основном, в страны Аравийского полуострова. Ливанская промышленность — это, в основном, легкая промышленность. Сегодня промышленность дает 21% внутреннего валового продукта, основные отрасли — производство строительных материалов и цемента, металл опроизв од ство, текстильная, пищевая, мебельная, производство одежды и обуви, ювелирная. Существует нефтеперерабатывающий сектор промышленности, построенный фирмами Саудовской Аравии и Ирака, для переработки нефти этих стран, поступающей по нефтепроводам транзитом через Ливан с целью дальнейшей отправки на рынок сбыта.
Длина железных дорог составляет 417 км, автодорог — 7,4 тыс. км (1987 г). Тоннаж морского торгового флота — 458 тыс. т дедвейт (1992 г.). Морские порты — Бейрут, Триполи, Сайда, Джуния. Экспорт — цитрусовые, яблоки, хлопчатобумажные ткани, текстильные, фармацевтические изделия. Природные ресурсы страны — известняк, вода. Сельское хозяйство сегодня дает 11,7% внутреннего валового продукта. Выращиваются цитрусовые, картофель, виноград, маслины, яблоки, сахарная свекла, табак. Развиваются животноводство, рыболовство. Сфера услуг дает 67,3% внутреннего валового продукта. Виды сервиса — банковское дело и туризм. В 1993 г. валовый внутренний продукт (ВВП) исчислялся в 7,6 млрд. долл. США, в 1995 г. достиг 11,7 млрд. долл. США, и по оценке 2003 г. — 17,82 млрд. долл. США (далее просто долл.). Реальные темпы роста ВВП — 3% (оценка 2003 г.). ВВП на душу населения 4800 долл. в год (оценка 2003 г.). Инвестиции в народное хозяйство составляют 24,8% ВВП (2003 г.). Инфляция в 2003 г. оценивалась в 2,5% в год. Государственный долг — 185,1% ВВП (оценка 2003 г.). Главные торговые рынки сбыта (2003 г.) — Швейцария (10,8%), Объединенный Арабские Эмираты (10%), Саудовская Аравия (7,5%), США (7,3%), Турция — 5,5%, Иордания (4,4%). Импорт оценивается в 6,44 млрд. долл. Главные поставщики (2003 г.) — Франция (13,4%), Германия (11,7%), Италия (10,7%), Сирия (5,3%), Китай (5,2%), Великобритания (4,9%), США (4,5%). Гражданская война 1975-1991 гг. серьезно повредила экономическую инфраструктуру Ливана, объем причиненного ущерба составляет многие миллиарды долларов. Национальная продукция сократилась наполовину, практически было сведено на нет положение Ливана как мирового туристического и банковского центра. Прекращение военных действий позволило центральному правительству восстановить контроль в Бейруте, начать собирать налоги, восстановить доступ к ключевому морскому порту и государственным средствам обслуживания. Помочь Ливану выйти из экономического кризиса решило мировое сообщество. Вместе с Лигой Арабских стран ведущие державы мира через Всемирный банк и другие финансовые органы создали "Всемирный фонд для восстановления Ливана". Уставный капитал этого фонда составлял примерно 4 млрд. долл. Восстановлению подлежали ведущие отрасли народного хозяйства, вся инфраструктура и, в первую очередь, электроэнергетика.
Методы определения потенциала солнечного излучения
Система преобразования солнечной энергии, как любая другая энергетическая система, количественно характеризуется, главным образом, двумя основными параметрами: максимальной мощностью и количеством энергии, которую можно получить от системы за известный интервал времени. Определение этих параметров на этапе проектирования системы невозможно, если неизвестны соответствующие параметры солнечного излучения в месте расположения системы. 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 [30, 76, 116, 117, 148, 153, 166, 170, 185, 191]. С Другой сторон, существует проблема оптимального размещения станций, преобразующих солнечную энергию в электрическую, или непосредственно использующих ее в виде тепла. Полное солнечное излучение обычно измеряется в ограниченном числе пунктов, поскольку значительное расширение их сети приводит к слишком большим затратам. Исходя из этого, предпринимаются многочисленные попытки получить соотношения для определения полного солнечного излучения, получаемого в той или иной местности, исходя из ее географических и климатических данных [104, ПО, 116, 138, 143, 144, 162, 164, 166, 194]. Большинство из предложенных формул страдают тем недостатком, что каждая из них годится только для ограниченного района и учитывает большое количество параметров, влияющих на изменение интенсивности солнечной радиации, падающей на Землю, и приводящих к ошибкам при расчете. В условиях Ливана эта проблема становится особенно актуальной ввиду отсутствия наблюдений за солнечной радиацией метеорологической службой. В мире существуют сотни станций, где периодически измеряются составляющие солнечной радиации. Данные по солнечной радиации можно представить несколькими способами, и они должны содержать следующую информацию: — являются ли они непосредственно измеренными величинами или суммарными значениями за какой-либо период времени (обычно за час или за сутки); — период времени, в течение которого проводились измерения; — тип солнечной радиации (прямая, диффузная или суммарная) и тип измерительной аппаратуры; — ориентация приемной поверхности относительно земной поверхности (горизонтальная, вертикальная, наклонная); — для усредненных данных — период времени, для которого проводилось усреднение.
Введем некоторые понятия и обозначения. Земля (рис. 3.4) обращается за 24 часа вокруг своей оси, которая обозначена точками северного и южного полюсов N и S. Ось перпендикулярна экваториальной плоскости Земли.
На рис. 3.4 точка С — центр Земли. Точка Р на поверхности Земли характеризуется широтой ф и долготой у. Значение ф положительно для точек, лежащих севернее экватора, отрицательно — для точек южнее экватора. Долгота V/ положительна к востоку от Гринвича (Великобритания). Вертикальная плоскость, построенная с севера на юг через точку Р, — локальная меридиональная плоскость. Точки Е и G на рис. 3.4 — точки на экваторе, имеющие ту же долготу, что и точка Р и Гринвич соответственно.
Один раз каждые 24 часа Солнце попадает в меридиональную плоскость. Это полдень по солнечному времени для всех точек, имеющих данную долготу. Полдень по солнечному времени не обязательно совпадает с двенадцатью часами, поскольку часы показывают так называемое декретное время, установленное единым для больших пространств местности в пределах 15 долготы, называемых часовыми поясами. Рис. 3.4. К понятиям широты р и долготы у, 1 — экваториальная плоскость; 2 — меридиональная плоскость.
Перевод часов на "летнее время" означает, что солнечное и декретное время могут различаться более чем на 1 час. Более того, эллиптичность земной орбиты приводит к тому, что период между солнечными полднями составляет не точно 24 ч, хотя в среднем этот интервал составляет 24 ч ровно.
При практическом использовании данных измерения солнечной радиации применяется несколько подходов, каждый из которых обладает определенной степенью приближения. Одним из них является усреднение уровня солнечного излучения, например, за месяц, позволяющее оценить среднюю эффективность процесса. Некорректность такого подхода связана с тем, что эффективность многих процессов в солнечных установках нелинейно зависит от солнечной радиации, и поэтому использование средних значений в этих случаях может привести к серьезным ошибкам.
Второй подход состоит в использовании ранее полученных часовых или суточных результатов измерений солнечной радиации в данной местности для оценки ожидаемой эффективности процесса. Этот путь является основным подходом при моделировании процессов и широко применяется на практике.
Третий подход заключается в обработке данных измерений солнечной радиации с помощью статистических методов для представления их в более удобном виде и в использовании результирующих временных распределений для предсказания эффективности процесса преобразования энергии.
Исходя из важности определения суммарной солнечной радиации на земной поверхности и вследствие трудности расширения сети точек, измеряющих ее составляющие, ряд крупных ученых предложили формулы для определения солнечной радиации на основе детальной климатической информации.
Климатические данные: температура, влажность, часы солнечного сияния, число дождевых дней и в некоторых случаях информация об облачности — собираются во всех странах мира в последние десятилетия.
Такой подход к решению задачи является единственно возможным в условиях Ливана для определения гелиоресурсов.
Исходя из метеорологических данных, для получения средней и месячной солнечной радиации на территории Ливана был выполнен расчет [87] этих составляющих с помощью математических соотношений, и оказалось, что их справедливо применять для территорий, находящихся в диапазоне широт между 45 с.ш. и 45 ю.ш.
Категории гидроэнергетического потенциала в условиях Ливана
В настоящее время гидроэнергетические ресурсы занимают значительное место среди других энергетических ресурсов. Тем не менее не весь гидроэнергетический потенциал поверхностного стока может быть использован для выработки электроэнергии. Поэтому Международная энергетическая комиссия (МЭК) подразделяет гидроэнергетические ресурсы на следующие виды валовой, технический и экономический гидроэнергетические потенциалы.
Эти потенциалы оцениваются в киловатт-часах в год (кВт-ч/год) и соответствуют средним по водности гидрологическим условиям [39, 81].
Валовым (теоретическим) потенциалом или потенциальными гидроэнергоресурсами называют энергетический потенциал всего поверхностного стока или части его. Технический потенциал составляет часть валового, который на современном уровне развития науки и техники может быть использован путем строительства гидроэлектростанций. Он определяется с учетом неизбежных отборов воды на неэнергетические нужды, потерь воды на фильтрацию, испарение, потерь напора, стока и мощности на самих гидроэлектростанциях. Экономический потенциал — часть технического потенциала, использование которого экономически целесообразно в настоящее время с учетом требований топливно-энергетического баланса региона, комплексного использования водных ресурсов и охраны окружающей среды [81].
Значение гидроэнергетических потенциалов не является постоянным, оно изменяется во времени в результате совершенствования методов гидрологических расчетов, изменения объемов отборов воды на неэнергетические нужды, роста стоимости ископаемого топлива на Земле и роста значимости социально-экологических факторов. Из них наиболее изменчивыми во времени являются технический и экономический потенциал.
В связи с тем, что расход воды по длине водотока не постоянен, то для расчета потенциальных теоретических гидроэнергетических ресурсов крупных и средних рек используют обычно метод "линейного учета" [82].
При применении этого метода каждую реку делят на участки, границы которых, как правило, соответствуют характерным точкам изломов профиля реки, местам впадения притоков, пунктам со значительным изменением стока реки или местам резкого нарастания приточности реки, т. е. у устья притоков.
На основании указанных расчетов строят водно-энергетический кадастр, представляющий собой продольный профиль водотока Z(L); зависимость изменения расхода воды по длине водотока QL(L); зависимость изменения потенциальной мощности водотока по длине N(L); зависимость изменения удельной потенциальной мощности водотока по его длине] (L).
В работе [81] приведены наиболее вероятные варианты изменения основных показателей водотока по его длине.
Энергетические ресурсы малых водотоков и бассейнов приблизительно определялись обобщенным методом или методом средней реки, а также методом базисных бассейнов.
Метод средней реки был предложен СВ. Григорьевым [43]. Согласно этому методу для каждой группы рек по протяженности в конкретном регионе выбирается средняя река, характеризующаяся средним водосбором, стоком и падением для данной группы рек.
Метод базисных бассейнов предложен СВ. Клоповым и основан на физико-географическом анализе. Согласно этому методу, выбираются типичные, сравнительно более изученные малые речные бассейны, для которых определяется значение гидроэнергетического модуля [47, 80, 82].
Затем этот показатель используют для расчета гидроэнергопотенциала (ГЭП) исследуемых речных бассейнов данного региона. Если модуль стока используемых бассейнов значительно отличается от модуля стока базисного бассейна, то необходимо внести поправку.
В этом методе предполагается, что продольные профили исследованных притоков имеют такой же характер, как и продольные профили основных рек. Этот метод дает хорошие результаты для речных бассейнов, которые достаточно изучены в отношении стока, это является основным препятствием для применения в нашем случае из-за отсутствия исходных данных.
Необходимо отметить нерациональность применения методик расчета категорий гидроэнергопотенциала большой ГЭС при определении гидроэнергопотенциала малых ГЭС [35,47, 78]. Кроме того, можно сделать вывод о недостаточности разработки методик расчета ГЭП малых водотоков, с одной стороны, и актуальности этой задачи, с другой. Выбор методик расчета ГЭП во многом определяется располагаемой исходной информацией. С учетом особенности Ливана, по которому отсутствуют необходимые исходные данные по гидрологии и имеется только информация по осадкам, предлагается использовать методику оценки ГЭП на базе метода линейного учета. Он пригоден и для этого случая. Как следует из табл. 4.1, практически все реки в Ливане могут быть отнесены к малым. На этих реках, соответственно, могут быть построены малые ГЭС. В этом случае важной особенностью определения энергопотенциала реки является то обстоятельство, что этот потенциал должен быть определен в совокупности с выбором мощности малой ГЭС, которая, в свою очередь, выбирается с учетом запросов потребителя [47, 82, 85, 119]. В настоящее время проработки по планированию развития гидроэнергетики Ливана еще не достигли той стадии, когда оценка гидроэнергопотен-циала страны может быть выполнена с учетом таких деталей. Поэтому в качестве первоначальной оценки энергетической мощности рек (теоретический потенциальный ресурс) может быть названа цифра в 1000 МВт. Технические возможности в гидроэнергетике позволяют использовать около 50% теоретических ресурсов, при этом технический гидроэнергопотенциал составит около 4,4 106 МВт Ч/год.
В настоящее время изученный валовой гидроэнергетический потенциал рек Земли составляет 26611 ТВ-ч/год, из них около 7450 ТВт ч/год, или около 28% валового потенциала, по оценкам Мировой энергетической конференции (МИРЭК), является экономическим [81].
Ранее в Ливане было построено несколько ГЭС суммарной мощностью около 300 МВт и годовой выработкой электроэнергии до 1 млн. МВт-ч/г (практически 25% от технического потенциала). Несмотря на имеющийся опыт использования гидроэнергетических ресурсов, перспективы дальнейшего строительства ГЭС еще весьма существенны. К сожалению, использованию ряда рек препятствуют политические причины, связанные с нерешенностью ряда вопросов по трансграничным водам, поэтому реальным направлением развития гидроэнергетики Ливана является строительство малых, мини- и микроГЭС для автономных изолированных потребителей, в районах сельскохозяйственного производства и рекреации.
В настоящее время в планах развития гидроэнергетики все большее место занимают экологические факторы (экологические свойства гидроэлектростанций были подробно охарактеризованы в гл. 1). Экологические показатели малых ГЭС существенно превосходят аналогичные показатели крупных ГЭС, поэтому при возможности сооружение малых ГЭС оказывается предпочтительнее.
