Исследование эффективности использования солнечной энергии для систем автономного энергоснабжения в Республике Союза Мьянма

Более 71% населения Республики Союза Мьянма (РСМ) живет в районах децентрализованного или ненадежного централизованного энергоснабжения. Энергообеспечение потребителей этих районов традиционно осуществляется с применением автономных бензиновых электростанций. Однако их работа наносит ощутимый вред экологической обстановке и сопряжена со значительными материальными затратами на топливо и его доставку.

Альтернативой бензиновым электростанциям могут выступать системы на основе солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ), преобразующих экологически чистый источник возобновляемой энергии (ВИЭ) — солнечное излучение (СИ), что подтверждается оценкой солнечных ресурсов PCM, а также опытом некоторых азиатских стран, где уже сейчас широко применяются СФЭУ.

Проведено исследование эффективности использования схем энергоснабжения автономного потребителя на основе СФЭУ. Выявлен их характерный состав и параметры при учете климатических особенностей РСМ (колебания среднесуточной температуры составляет от 18 °C до 32°С). В работе исследуется изменение эффективности использования солнечной энергии при условия жаркого климата РСМ. Кроме того, рассмотрены методы снижения влияния температуры на энергетические характеристики солнечных модулей. В работе дана оценка эффективности использования системы охлаждения (СО) солнечных модулей (СМ).

В работе анализируется схема энергоснабжения в состав которой входит: СФЭУ (в качестве источника элктрической энергии) — вакуумные солнечные коллекторы (ВСК) (для обеспечения горячего водоснабжения) — кондиционер для охлаждения помещений потребителя. В качестве источника резервного или дополнительного электроснабжения предусмотрено использование бензиновой энергоустановки (БЭУ). Для перераспределения солнечной энергии во времени, в схему включены аккумуляторные батареи (АБ).

Были рассмотрены различные схемы энергоснабжения потребителя и параметры их элементов с применением традиционных невозобновляемых и возобновляемых источников энергии. Проведено технико-экономическое сравнение вариантов по критерию минимума суммарных дисконтированных затрат с целью определить наиболее эффективную схему.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью энергообеспечения потребителей, живущих в удалённых районах, вырабатываемой системами автономного электроснабжения на базе СФЭУ.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании эффективности использования солнечной энергии в системе энергоснабжения автономных потребителей в РСМ.

Основные задачи исследований:

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

1. Анализ информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов для условий РСМ;

2. Разработка и обоснование оптимальной структуры системы энергоснабжения типового автономного потребителя РСМ с использованием СФЭУ;

3. Исследование путей повышения эффективности энергетических характеристик СФЭУ с учетом климатических условий РСМ;

4. Исследование влияния технико-экономических факторов на экономическую эффективность использования СФЭУ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние температуры на энергетические характеристики солнечных модулей, показано, что в условия РСМ КПД солнечного модуля снижается до 12%;

2. На основе разработанного математического и программного обеспечения для расчетов оптимальных параметров энергокомплекса для энергоснабжения типового автономного потребителя с использованием солнечных фотоэлектрических установок и солнечных коллекторов, показана экономическая целесообразность применения солнечной энергии в условия РСМ;

3. Показано, что применение системы охлаждения солнечного модуля в условиях РСМ позваляет на 17% повысить КПД солнечного модуля, отказаться от применения сонечного коллектора для получения горячей воды, что в целом приводит к уменьшению суммарных дисконтированных затрат по энергокомплексу на 42,2%.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в возможности использования разработанных оценок и рекомендаций специалистами РСМ при планировании развития экономической и энергетической отрасли страны. Разработаны методики и программное обеспечение, позволяющие определить параметры элементов системы автономного энергоснабжения (САЭС) на базе СФЭУ в РСМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Исследовано влияние температуры на энергетические и экономические характеристики энергокомплекса для условий РСМ;

2. Разработаны алгоритмы и программы выбора и обоснования основных энергетических параметров систем энергоснабжения типового автономного потребителя РСМ на основе использования солнечной фотоэлектрической установки с учетом влияния температуры окружующей среды;

3. Показана эффективность использования солнечных коллекторов для систем горячего водоснабжения в РСМ;

4. Показано, что в условиях жаркого климата РСМ для уменьшения влияния температуры на энергетические характеристики солнечных модулей экономически целесообразно использовать систему водяного охлаждения солнечного модуля с последующей подачей нагретой воды для бытовых нужд потребителя;

5. Показано, что современые тенденции роста цены на топливо и снижения цен на солнечные модули позволяют рассчитывать на срок окупаемости 4−5,5 года, что делает использование солнечной энергии весьма перспективным для РСМ, а рузультаты работы могут быть использованы при разработке перспективных программ развития энергетики страны.

Апробация работы. Результаты выполненной работе докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Вторая международная научнопрактическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦнаучный семинар на кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ». Седьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» в МГУСемнадцатая международная научно — техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ" — Третья международная научно — практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦнаучный семинар на кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ». Восемнадцатая международная научно — техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ"-Четвертая международная научно — практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях» в ВВЦи научный семинар на кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ». Восьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» в МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК. Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Йе Вин, Виссарионов В. И, Кузнецова В. А. Оптимизация параметров системы энергоснабжения с использованием солнечной энергии для автономного потребителя в республике Мьянма // Вестник МЭИ. 2012, № 5. 42−49 с.

2. Ие Вин, Виссарионов В. И. Использование солнечной энергии для энергоснабжения автономного потребителя, расположенного в районе Мейтхиле республики Мьянмы // Научно-тенхническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях: Моевка, ВВЦ, 2010. 397−398 с.

3. Ие Вин, Виссарионов В. И. Эффективное использование солнечной энергии для энергоснабжения автономного потребителя в республике Мьянма // Седьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием, «Возобновляемые источники энергии», Москва, МГУ, 2010, 184 -186 с.

4. Йе Вин, Виссарионов В. И. Исследование эффективности фотоэлектрических систем с системой охлаждением для энергоснабжения жилого дома в республике Мьянма // Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Москва, МЭИ, 2011, 391 — 392 с.

5. Йе Вин, Виссарионов В. И. Исследование системы использования холодоснабжения дома в системах энергоснабжения автономных потребителей в центральной части Мьянмы // Научно-тенхническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях: Моевка, ВВЦ, 2011.462 с.

6. Йе Вин, Виссарионов В. И. Исследование влияния изменения температуры фотоэлектрической системы на энергоснабжение автономных потребителей в республике Мьянмы // Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Москва, МЭИ, 2012, 427 с.

7. Йе Вин, Виссарионов В. И. Исследование эффективности использования солнечного коллектора для энергоснабжения автономных потребителей в республике Мьянмы // Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Москва, МЭИ, 2012, 428 с.

8. Йе Вин, Виссарионов В. И. Исследование влияния температуры характеристики фотоэлектрических преобразователей // Научно-тенхническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях: Моевка, ВВЦ, 2012. 486 — 488 с.

9. Йе Вин, Виссарионов В. И. Исследование системы автономного электроснабжения на базе солнечных фотоэлектрических установок в республике Мьянме // Восьмая всероссийская научная молодежная школа с международным участием, «Возобновляемые источники энергии», Москва, МГУ, 2012.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 155 страницах машинописного текста, иллюстрированных 79 рисунками и 71 таблицамисписок литературы включает 78 наименований. Краткая аннотация.

5.4. Выводы по пятой главе.

Система энергоснабжения с использованием только солнечной энергии + БЭУ при цене на топливо 1 долл. США/л оказалась экономически эффективнее схемы с использованием БЭУ (34,03%). Наиболее экономичной оказалась схема, составленная из 22 СМ, 3 ВСК, 5 АБ и БЭУ (при цене на топливо 1 долл. США/л. при ЬУд =0,5 л/кВт.ч), срок окупаемости составляет 5,5 лет.

При наличии системы охлаждении в СМ, срок окупаемости энергокомплекса составил около 4 года при аналогичных условиях. Для условий Мьянмы использование СМ с системой охлаждения оказалась более экономически выгодной.

Суммарные дисконтированные затраты использования бензиновой энергетической установки и энергокомплекса, состоящего из фотоэлектрических модулей, ВСК и БЭУ, значительно меньше чем передача эенргии через ЛЭП для автономного потребителя удалённого района.

Таким образом перспективно и экономически целесообразно использование СФЭУ с системой охлаждения для электроснабжения автономных потребителей в РСМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты, проведенных в диссертационной работе исследований, направлены на повышение эффективности использования энергии солнца в децентрализованных системах энергоснабжения районов Мьянмы.

1. Сравнительный анализ данных ГМС Мейтхила и мировых БД NASA и METEONORM, показал, что в случае отсутствия или неполноты данных ГМС допустимо использовать мировые БД, при этом расхождение в среднемесячных значениях прихода CP не превышает 6−14%.

Полученные данные свидетельствуют о возможности использования международных баз данных «NASA» и «METEONORM» для расчетов CP в рассматриваемом районе Мьянмы (Мейтхил), в условиях отсутствия данных наблюдений за приходом CP на ближайших территориях данного района.

2. Проведена оптимизация угла наклона приемной площадки. При угле наклона приемной площадки Р=0° удельная энергия равна Эгод 1861,7 кВт. ч л м .год. Для угля наклона приемной площадки, равному углу крыши (3= ркр=40° удельная энергия равна Эгод^1906,01 кВт. ч /м2.год. При местное угле ориетации наклона приемной площадки равной широте, местности 0=20,88° удельная энергия равна Эгод р=1976,4 кВт. ч /м2.год. При оптимальном угле наклона приемной площадки Р=22° удельная энергия равна Эгод р=1977,1 кВт. ч /м2.год.При осуществлении месячного слежения за солнцем с помощью гелиостата мы можем получить удельную энергию равну Эгод =2013,14 кВт. ч /м2.год. Углы наклона Р=23° дает больший годовой приход солнечной энергии, но для такой установки СФЭУ требуется перестройка крышки.

При установке СФЭУ с (3= ркр=40о приход CP будет меньше с марта по сентябрь (по сравнению с Р=23°) от 3% в марте до 19% в с май по июль. В зимние месяце приход CP увеличится с октябрь по февраль от 3% в феврале до.

10% в декабре. Поэтому в данной работе принимается ставить СФЭУ на крыше дома с углом р= (3^=40°.

3. В работе представлен анализ рабочей температуры поверхности солнечного модуля. В заданной точке при минимальном приходе солнечной радиации в 12ч температура солнечного модуля составляет порядка 46,8°С, при максимальном приходе солнечной радиации — 62,2°С. При максимальной температуре окружающей среды в 12ч температура солнечного модуля составляет 63,7°С.

4. Проанализирован график изменения температуры в Мьянме. Наибольшие значения температуры наблюдаются в период с марта по май (более 32°С) минимальные в декабре и январе (с 18 °C по 25 °С). При этом максимальная температура в течении суток достигает от 29 °C до 41 °C в центральной части Мьянмы.

5. Исследована эффективность охлаждения фотоэлектрических систем. Проведенный анализ выявил наиболее влияющие факторы на эффективность системы охлаждения, в том числе: массовый расход воды, диаметр трубы и приход солнечной радиаций.

6. Определены оптимальные параметры системы водяного охлаждения СМ, по критерию максимума коэффициента эффективности системы охлаждения, строится на базе следующих параметров: ш — массовый расход воды, 3.10″ кг/сЬп — длина поглотителя, 1,6 м-? — расстояние между соседними трубами, 0,1 м- 8 — толщина поглотителя, 5.10″ 4 м-Твх — температура входящей воды, 293 К.

При наличии системы охлаждения в солнечной фотоэлектрической установке его температура снижается на 59%, КПД СМ увеличивается на 17% и мощность одного СМ увеличивается на 17,1% (для дня с максимальным приходом СР).

Приведенный анализ показал, что наличие системы охлаждения солнечных модулей обеспечивает покрытие нагрузки ЭЭ с меньшим числом.

СМ. А именно, в нашем расчетном случае количество СМ уменьшается с 37 до 26шт. (30%).

7. Рассмотрена система энергоснабжения с использованием солнечной энергии + БЭУ при цене на топливо 1 долл. США/л, оказалась экономически эффективнее схемы с использованием БЭУ на 34,03%. Наиболее экономичной оказалась схема, составленная из 22 СМ, 3 ВСК, 5 АБ и БЭУ (при цене на топливо 1 долл. США/л. при Ьуд=0,5 л/кВт.ч), срок окупаемости составляет 5,5 лет.

При наличии системы охлаждении в СМ, срок окупаемости энергокомплекса составил около 4 года при аналогичных условиях. Для условий РСМ использование СМ с системой охлаждения оказалась более экономически выгодной.

8. При наличии системы охлаждения СМ, исследование влияния различных экономических факторов на эффективности схем энергоснабжения на основе СФЭУ показалгвозможный перспективный рост цены на топливо с 1 $/л до 1,2 $/л уменьшит срок окупаемости энергокомплекса с 4 года до 2,5 годанаблюдаемое в последнее время резкое снижение цены на СМ с 2,5 $/Вт до 2 $/Вт, уменьшит срок окупаемости с 4 года до 2,5 года.

9. Рассчитанные суммарные дисконтированные затраты использования бензиновой энергетической установки и энергокомплекса, состоящего из фотоэлектрических модулей, ВСК и БЭУ, оказались значительно меньше чем затраты на передачу энергии через ЛЭП для автономного потребителя удалённого района.

На основе разработанных моделей и проведенных расчетов, были показаны возможности перспективного использования вариантов системы автономного энергоснабжения потребителей на базе СФЭУ с системой охлаждения солнечных модулей.