Оценка ресурсов возобновляемых источников энергии на территории Республики Вьетнам

Социалистическая республика Вьетнам (СРВ) находится на восточной части Индокитайского полуострова. Численность населения в 2002 году составляет 88 миллионов. В стране города в основном расположены на равнинах вдоль побережья моря. На долю городов и их окрестностей приходится 35% населения. Остальная часть населения проживает в горах. Основные промышленные центры сосредоточены на севере страны вблизи столицы Ханоя и на югевблизи города Хошимин. В мире Вьетнам относится к числу стран с малым запасом органических топлив, причём основное их количество (до 70% от общей добычи) необходимо экспортировать, чтобы обменять на технические средства для разных отраслей народного хозяйства [59].

Во Вьетнаме в составе электроэнергосистемы (ЭЭС) работают 13 ТЭС и 5 ГЭС. Годовой объем выработки электроэнергии в 2002 году составляет 10,1 млд.кВт.ч. Основная часть выработки электроэнергии (7 5% от общего объема выработки) предназначена для промышленности, а для бытовых нужд отведено только 25%. Бурный темп развития производства в периоде стабилизации и восстановления (1975;1995гг.) очень сильно увеличивает дисбаланс между производством и потреблением электроэнергии [53]. В настоящее время ЭЭС Вьетнама не в состоянии обеспечить всю потребность в электроэнергии народного хозяйства, так как рост выработки электроэнергии не соответствует с ростом потребления. Ежегодно объем нехватки электроэнергии только в производственных нуждах составляет в среднем 350−4 00 млн.кВт.ч. Сравнивая общий объём выработки электроэнергии всех станций (действующих и проектируемых, включая ГЭС и ТЭС) с объёмом потребления при данном темпе развития, Вьетнаму к 2010 году предстоит пассивная покупка электроэнергии из-за рубежа [55]. Поэтому в настоящее время во Вьетнаме осуществляется перестройка управления народным хозяйством, в том числе и перестройка в области энергопроизводства. Важнейшими задачами являются повышение эффективности использования существующих основных источников энергии, как использования органических топлив (уголь, нефть, газ, торф) и освоение ресурсов возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которое в настоящее время является одним из важнейших направлений развития энергетики Вьетнама и мировой энергетики в целом [54,55,56,69].

Как указанно во многих работах и исследованиях, при существующем уровне научно-технического прогресса органическое топливо в ближайшей перспективе может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично [6, 9,10,21,25,59,75]. Кроме того, при использовании органических топлив для производства электроэнергии острой проблемой являются серьёзное загрязнение окружающей среды и нарушение экологического баланса во многих регионах нашей планеты.

Одним из основных путей решения поставленных задач является исследование с целью определения запасов возобновляемых источников энергии и реальной возможности их преобразования в электроэнергию как для подачи в общую энергосеть страны, так и для электроснабжения автономных и удаленных от энергосистемы населенных пунктов, особенно горных районов и островов. Этой проблеме посвящены работы многих учёных, особенно учёных бывшего СССР. Во многих работах были детально описаны методы определения запасов возобновляемых источников энергии. Естественно, что в связи с особенностью географического расположения, запасы возобновляемых источников энергии в разных регионах будут разными. Первым шагом в освоении ресурсов ВИЗ во Вьетнаме является использование водной энергии рек, считая с момента разработки проекта первой ГЭС на реке Да северного Вьетнама.

В некоторых исследованиях было отмечено, что Вьетнам находится в регионе с большим запасом энергии таких источников, как энергии ветра, энергии солнечного излучения, энергии морских приливов, энергии морских волн и течений [54,56,59]. Однако в условии Вьетнама с недостаточной степенью изучения природных ресурсов и отсутствием работ по определению запасов возобновляемых источников энергии невозможно говорить об оправданном их использовании с целью удовлетворения растущей потребности в электроэнергии народного хозяйства.

До настоящего момента во Вьетнаме ещё не разработаны методы определения запасов возобновляемых источников энергии, а так же отсутствуют экономико-математические модели для построения рациональной структуры комплексного использования этих видов энергии в составе общей энергосистемы страны.

Исходя из этого положения, целью данной диссертационной работы является решение очередной задачи в указанном направлении, т. е. оценка запасов возобновляемых источников энергии на территории Вьетнама для электроэнергетики страны, особенно для электроснабжения населения удаленных районов от энергосистемы.

Для выполнения поставленной задачи в диссертации были выполнены следующие:

— Анализ состояния национальной структуры народного хозяйства и тенденции развития экономики страны;

Оценка развития энергопроизводства и роста потребности в электроэнергии с прогнозированием о возможности кризиса в области электроснабжения в будущем периоде (2005;2010 гг.) развития народного хозяйства Вьетнама;

— Анализ имеющихся возобновляемых источников энергии на территории Вьетнама в зависимости от особенности географического расположения страны с выводом о перспективе их использования для получения электроэнергии во Вьетнаме;

— Исследование реально доступных на данном этапе возобновляемых источников энергии, таких как энергии солнечного излучения и энергии ветра с выводом эмпирических формул для определения их запасов, адаптированных к условиям Вьетнама;

— Оценка запасов энергии вышеуказанных источников на территории Вьетнама путем проведения расчетов по выведенным формулам и на основании имеющихся обработанных данных измерений (1960;1997 гг.) и научных исследований проведена проверка достоверности результатов вычислений;

— Реализован расчет по определению зоны применимости при использовании солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) для электроснабжения удалённого от ЭЭС потребителя и оценка их экономической выгодности по сравнению с использованием других установок.

При решении поставленной задачи были рассмотрены современные методы и научные работы по определению запасов ВИЭ и практические результаты исследований. Все расчёты проведены с помощью аппарата математического программирования.

Научная новизна диссертации заключается в том, что:

1. Впервые дана оценка ресурсов ВИЭ на территории республики Вьетнама.

2. Обоснована актуальность интенсивного использования ВИЭ в электроэнергетике Вьетнама.

3. Разработан метод определения запасов энергии солнечного излучения с учетом характерных особенностей географического расположения Вьетнама и вывод математических формул, позволяющих вычислить с достоверностью запасов энергии этого ресурса.

4. Определены валовый и технический потенциалы солнечной и ветровой энергии Вьетнама.

5. На данном уровне технико-экономического состояния Вьетнама обоснован способ электроснабжения населения с использованием СФЭУ.

6. Определен критерий оптимальности при использовании СФЭУ для электроснабжения удаленного и автономного потребителя.

Практическая значимость результатов данной работы заключается в том, что разработанные методы и результаты расчётов, а так же примеры выбора варианта электроснабжения, описанные в расчетных примерах, могут быть использованы для решения следующих задач:

— Проектирование систем электроснабжения удаленных или автономных потребителей во Вьетнаме с использованием возобновляемых источников энергии, в данном случае солнечного излучения.

— Определение рациональной структуры ЭЭС Вьетнама при совместном использовании разных, в том числе возобновляемых источников энергии.

Основные положения и результаты исследования по теме диссертации опубликованы в печатных работах [45,46].

Данная диссертация состоит из введения, б глав, заключения, списка литератур и 7 приложений. Все материалы изложены на 239 страниц, включая 65 рисунков и 87 таблиц.

3.4. Выводы о ресурсах солнечной радиации Вьетнама и перспектива использования.

Вьетнам по географическому расположению полностью находится в северном тропическом поясе, поэтому изменение солнечной радиации строго подчиняется закону распределения солнечной радиации для данного региона, несмотря на некоторые географические особенности, которые могут внести незначительные корректировки в интенсивность радиации.

С севера до юга страны среднемесячная суммарная суточная солнечная радиация на горизонтальной площадке колеблется в пределе от 2,4 кВт. ч/м2 в сутки до максимального значения в размере около 7,3 кВт. ч/м2 в сутки. По всей территории страны среднегодовое значение суточной солнечной радиации является довольно высоким и стабильным. Оно в среднем составляет примерно 4,9 кВт. ч/м2 в сутки. Минимальное среднегодовое значение солнечной радиации (4,5 кВт. ч/м2 в сутки) наблюдается в провинциях южного региона (Фухань, Кыулонг, Анзанг), максимальное значение (5,3 кВт. ч/м2 в сутки) наблюдается в городах Ханое, Хайфонг и Куангнинь.

Исходя из сказанного, величина среднегодовой суммарной солнечной радиации на территории Вьетнама составляет от 1750 кВт. ч/м2 на севере до 2000 кВт. ч/м2 на юге и в центральной части. Таким образом можно сделать вывод о том, что Вьетнам имеет достаточно большой потенциал в использовании энергии солнечной радиации для выработки электроэнергии.

В настоящее время во Вьетнаме ведутся работы по разработке плана преобразования солнечной энергии в электрическую, но в основном с целью снабжения малых локальных потребителей. Проекты больших солнечных электростанций, мощность которых можно было подать в общую энергосеть страны пока не разработаны. Малые опытные установки на основе солнечных батарей, располагаемые ныне на удалённых островах, уже работают с целью получения электроэнергии для освещения и бытовых приборов с малой мощностью (радио, телевизор, вентилятор и.т.п).

По сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии на территории Вьетнама, использование энергии солнечной радиации имеет ряд преимуществ, благодаря которых является наиболее перспективным:

— Во первых, этот ресурс отличается доступностью по всей территории Вьетнама.

— Во вторых, использование СФЭУ не требует сложных строительных монтажных работ, так как их можно смонтировать как часть крыш домов и при этом не занимают отдельные площади.

— В третьих, СФЭУ является самыми подходящими устройствами, отвечающими требованиям правил охраны окружающей среды.

Из -'вышеизложенных результатов расчета (см. табл. п3.21 и п3.22 приложения 3), если учитывать факт о том, что Вьетнам имеет в своем расположении территориальную, а собственность около 331 000 км на суше, то по нашей оценке на всей территории Вьетнама валовый потенциал электроэнергии от солнечного излучения составит примерно 62 4 ПВт. ч/год. При современном уровне развития науки и техники и существующем значении КПД СФЭУ (13%н-15%) в соответствии с хозяйственным и экологическим требованиями технический потенциал электроэнергии от солнечо ного излучения составит в размере 81.10 ГВт. ч в год.

Кроме того, Вьетнама имеет около 1 160 000 км² морской территории, т. е. почти в 3,5 раза по сравнению с площадью на суше. Таким, образом с учетом морской территории валовый потенциал электроэнергии от солнечного излучения составит 2,8.103 ПВт. ч/год и при этом технический потенциал электроэнергии будет 365.103 ГВт. ч в год.

4. ВЕТРОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ.

4.1. Энергия и мощность ветрового потока.

Ветер в сущности является перемещением воздушных масс с одной точки воздушного пространства в другую и обладает кинетической энергией Э. Сам ветер есть векторная величина, так как имеет скорость и направление. Кроме того, направление и скорость ветра зависят от многих факторов природы (например: изменения интенсивности солнечного излучения, динамического извержения вулкана, изменения ландшафта и прочих) и таким образом имеют случайный характер [1,2,8]. В связи со сказаннным общее выражение для энергии ветра можно представить в виде:

Э =? (V, Ь, р, 91, 92, .<рп) ' [Дж] (4.1) где V — вектор скорости ветра, м/с;

Ъ. — высота над поверхностью Земли, мр — плотность воздуха на высоте Ъ., кг/м3- - прочие случайные факторы в природе.

На практике при отсутствии данных о факторах ср-), входящих в (4.1), им часто пренебрегают. В этом случае (4.1) можно записать в сокращённом виде:

Э * I, [Дж].

4.2).

При рассмотрении протекания воздушного потока через сечение Е, м2, в механике известно выражение для его кинетической энергии [8,13,78]:

Э = Т = ш. V2 /2, [Дж] (4.3) где ш — масса воздуха, протекающая через сечение Е в кг/с и определяется как: т=р.V.Е, [кг/с] (4.4).

Мощность воздушного потока определяется следующей формулой:

Вт] (4.5) где р — плотность воздуха, при нормальных условиях т. е. при р=760 мм рт.ст. или 101,3 кПа, t=150 С) р = 1,2 3 кг/м3.

Принимая во внимание, что скорость ветра в приземном слое увеличивается по мере возрастания высоты относительно поверхности Земли и обычно определяется степенной зависимостью вида [1,2]:

Ь/Ь0)а, [м/с] (4.6) где Ьо — высота фрюгера, на которой была измерена скорость ветра, мv0 — скорость ветра на высоте фрюгера, м/сос — безразмерный показатель степени, значение которого зависит от скорости ветра, устойчивости атмосферы и шероховатости земной поверхности.

С учетом (4.6), формула (4.5) принимает вид:

Ь/Ь0)3а, [Вт] (4.7).

4.2. 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 измеренийОдин 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 У (м/с) 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 1-ой градации с повторяемостью ^(У^.), м/с, и строят кривую обеспеченности заданных диапазонов скоростей ветра:

Уо=1 У1.^(У!) .Ю" 2, [м/с].

4.8).

— 1.

4.9) где У1т1П — нижняя граница 1-ого диапазона скоростей, т. е. У>п < V < У! тах, м/с;

У^) — дифференциальная повторяемость скоростей ветра, Выражение (4.9) можно представить в другом виде:

Г1(У1)=Р (У±>У1т1п), (4.10) где Р — вероятность того, что скорость ветра попадает в 1-й или более высокий диапазон скоростей. Далее определяют основные параметры распределения Вейбулла-Гудрича [2,8]: (VI/ р)^1.ехр[-(У1/(3)у] (4.11).

Параметр у определяется из зависимости Г^У^ графическим путем нанесения на клетчатку вероятностей Воейкова (билогарифмическая клетчатка): у = cotang (a), (4.12) где, а — угол наклона (У^ на клетчатке, и:

Р = У0/Г (1+1/У), (4.13) где Г — гамма-функция.

В формуле (4.11) значения ^(У!) рассчитываются с равным шагом АУ1 = 1 м/с. На основе данных класса открытости местности определяется фактический класс открытости [ 13] :

Кг-* '.

4.14) я где Kfj и Т] - класс открытости и повторяемости по Милевскому в j-oм направлении.

Определение валового потенциала ветровой энергии в современных научных разработках общепринято произвести по принципу использования энергии ветра на определенной высоте Ь. над поверхностью Земли, т. е. на расчетной высоте ВЭУ. В данной работе пересчет средней скорости ветра производится на расчетной высоте ВЭУ Ь=50м: где К0 — класс открытости местности по Милевскомуа — 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 вырагде р — заданная плотность воздуха, при нормальных.

УР (Ь) = (К0/К?). (Ь/Ь0)а.Ч0(Ь0), [м/с].

4.15) жением:

Куд1(У1)=0,5.р.У13, [Вт/м2].

4.16) условиях р=1,22б кг/м3, а удельная энергия потока по формуле:

ЕУД1¹, ^^уд!^) .1-^) .8,76, [кВт.ч/м2.год] (4.17).

Годовая удельная энергия ветра определяется как сумма для всех градаций VI:

30 30.

Еудвал=£ ЕУД1 (У1,и)=0,5.р.Т.?^(У1) .VI3, (4.18) н н мощность (4.19).

В некоторых случаях эту величину можно определить с помощью формулы А. С. Марченко [2]: двал=0, 5.р. (33.Г (1 + 3/у), [Вт/м2] (4 .20) где у и Р ~ параметры распределения Вейбулла-Гудрича.

Как видно, в (4.20) фигурируют только у и (5, при этом нет необходимости рассчитывать 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 ^ от V, т. е.:

ДМ (V) /М, (4.21) где ^ - вероятностное распределение скорости ветра, ДМ (у) — число измерений в единичном интервале Ду,.

Таким образом средняя удельная валовая ветрового потока определяется формулой: дваЛ=ЕудваЛ / Т, [ В т /м2 ].

М — общее количество измерений.

Среднее значение скорости ветра 70 определяется выражением:

Ч0= V) / (ЕЪу), [м/с] (4.22) при условии, что функция нормализована так, что.

Iltл/.Av = 1.

Вероятность ^ > vz появления ветра со скоростью V, большей некоторой заданной величины Чг, определяется как сумма вероятности всех скоростных интервалов^.Ду, в которых V > У2. Мощность ветрового потока единичного сечения в этом методе так же определяется формулой (4.16), и следовательно величина НУД1(Уд.).?^ 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 можем определить среднее значение скорости ветра (см. Формулу (4.13)):

У0= ?3. Г (1+1/у), [м/с] (4.23) где Г — гамма-функция.

Обратим внимание на то, что (4.23) и (4.13) являются идентичными и в общем случае для функции Вейбулла-Гудрича, используя свойства гаммы-функции имеем:

Уп0= (3П.Г (1+п/у), (4.24).

Отсюда при п=3:

У3о= (З3 .Г (1 + 3/у), (4.25).

Если при обработке метеоинформаций бьши определены У0 и У30, то решая систему (4.23) и (4.25) численным методом получим значения параметров (3 и у.

Во многих случаях уравнение Вейбулла-Гудрича можно свести к однопараметрическому распределению Рэлея, полагая у=2, тогда (4.11) принимает вид: = (2.VI/ р2) .ехр[-(У1/(3)2], (4.26) и из (4.2 3) получим:

3 = (4.27).

При сравнении результатов вычисления величины (3 «2.Ч0 / в (4.11), где параметр у находится в пределе от 1,6 до 2,8 было установлено, что она отличается от соответствующей в (4.27) не более 1% [8]. Следовательно, по значению средней скорости ветра в результате статистической обработкой многолетних метеорологических измерений можно использовать распределение Рэлея (4.26) (или квадратичного распределения) вместо (4.11) и при этом по (4.27) можно найти значение параметра (3.

Для наглядности ниже в таблицу 4.1 приведем результаты вычисления значений распределения Вейбула-Гудрича и распределения Релея интервале скоростей ветра от 0 до 32 м/с, при значении (3=10,38 и значении среднегодовой скорости ветра У0=9,2 м/с. Для сравнения в таблицу также приведены значения удельной энергии ветрового потока, вычисленные по формуле (4.17) в соответствии с (4.11) и (4.2 б). Графики распределений Вейбула-Гудрича и Релея для этого случая показаны на рис. 4.1.

При использовании распределения Рэлея {А.2 6) вместо уравнения Вейбулла-Гудрича (4.11), параметр [3 определяется по {А.21). После поставки его в (4.26) получим:

Аналогично, вероятность того, что скорость ветра V превысит заданной величины У2 определяется выражением:

В [8] приведены некоторые важные свойства, вытекаю-ющие в результате анализа распределения Рэлея: — Средняя величина от кубической скорости ветра: (VI). Уд. ехр [-7С. (Vi/V0)2/4] / (2.У02) ,.

4.28) ехр [-71. (У2/У0)2/4] ,.

4.29).

У3)0=а, У0 з.

4.30).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Во Вьетнаме, как и в любой стране земного шара, производство электроэнергии, основанное на обработке органических топлив, в экологическом отношении является менее приемлемой. Кроме того, органическое топливо является незаменимым первичным сырьем для ряда отраслей народного хозяйства и являясь количественно ограниченным, и в связи с этим требуется соответствующий режим их использования параллельно с освоением других энергетических ресурсов. Использование запасов ВИЭ получило вполне оправданное распространение в мире и задача дальнейшего снижения расходования топливных ресурсов на энергетические цели и освоения ресурсов ВИЭ на основе последних достижений науки и техники в настоящее время для Вьетнама также является самой важной в энергетике страны.

В данной диссертации на основе анализа состояния и тенденции развития энергопроизводства Вьетнама в настоящее время и ближайшей перспективе была определена объективная неизбежность освоения возобновляемых энергоресурсов и выполнены работы по разработке методов определения запасов ВИЭ на территории страны.

По результатам данной работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Впервые выполнена комплексная оценка запасов возобновляемых источников энергии для электроэнергетики Вьетнама. Общие оценки запасов возобновляемых энергоресурсов Вьетнама дана в следующей таблице:

Источник энергии Запас.

Энергия биомассы 12,03.10″ кВт. ч/год.

Гидроэнергетический потенциал рек 1,34.103 ТВт. ч/год.

Энергия солнечной радиации 2,8.103 ПВт. ч/год.

Энергия ветра 66,03 ГВт. ч/год.

Энергия морских волн 2,5−6,5 кВт/м гребня.

Энергия приливов и мор. течений 4,0−6,0 кВт/м2.

2. Разработан метод определения запасов энергии солнечного излучения с учетом характерных особенностей географического расположения Вьетнама и вывод математических формул, позволяющих вычислить с достоверностью запасов энергии этого ресурса.

3. Определены валовый и технический потенциалы солнечной и ветровой энергии Вьетнама.

4. Определения прихода солнечной радиации на наклонную площадку с разными углами наклона в условиях Вьетнама показали на оптимальность расположения плоских модулей СФЭУ с углом наклона, равным широте местности.

5. Разработана методика расчета и выбора оптимального варианта электроснабжения удаленного потребителя в зависимости от климатно-географических, социально-экономических и экологических условий данной местности на территории Вьетнама. Основой методики служит принцип сравнения приведенных затрат на производство электроэнергии разными способами.

6. На данном уровне развития науки и техники, учитывая экономического состояния Вьетнама обоснован способ эле.

152 ктроснабжения населения с использованием СФЭУ.

7. Определен критерий оптимальности при использовании СФЭУ для электроснабжения удаленного и автономного потребителя. В данном этапе развития энергопроизводства Вьетнама для удаленных от ЛЭП населенных пунктов на расстояние больше 50 км использование СФЭУ является оптимальным вариантом, а для бытовых нужд в городах Вьетнама этот вариант также имеет большой интерес.

8. Получение электроэнергии от источника солнечной радиации в условии Вьетнама является наиболее доступным и оправданным, даже для потребителя со средним уровнем обеспечения.

Развитие использования ресурсов ВИЭ во Вьетнаме может играть значительную роль в удаленных районах или в районах с дефицитом запасов традиционных источников энергии. Кроме того, комплексное использование возобновляемых и традиционных энергоресурсов позволит улучшить технико-экономические показатели соответствующих энергоустановок .