Диссертация (Исследование систем энергоснабжения на основе солнечной энергии для потребителей в отдаленных районах в Боливарианской Республике Венесуэла)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиРосендо Чакон Милица ЕленаИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕСОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ОТДАЛЕННЫХРАЙОНАХ В БОЛИВАРИАНСКОЙ РЕСПУБЛИКЕ ВЕНЕСУЭЛАСпециальность: 05.14.08 ̶ Энергоустановки на основе возобновляемых видовэнергииДИССЕРТАЦИЯНА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИКАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУКНаучный руководитель:Кандидат технических наук, доцентПугачев Р.В.Москва, 2016 г.2ВВЕДЕНИЕ16СОВРЕМЕННОЕИСОСТОЯНИЕПЕРСПЕКТИВЫЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ 14ИСПОЛЬЗОВАНИЯСОЛНЕЧНОЙЭНЕРГИИ В ВЕНЕСУЭЛЕ1.11.2Общие сведения о Венесуэле141.1.1География141.1.2Население161.1.3Климат171.1.4Экономическое положение Венесуэлы18Современное состояние электроэнергетики Венесуэлы181.2.1Общие положения181.2.2Производство электроэнергии211.2.3Расходтопливаприпроизводствеэлектрической 24энергии1.2.4Проблемы и особенности развития электроэнергетики 25Венесуэлы1.2.5Ресурсынетрадиционныхивозобновляемых 27источников энергии Венесуэлы1.3Перспективы использования солнечной энергии1.3.1Состояниеиперспективыразвития33солнечной 33энергетики в мире1.3.2Состояние и уровень использования солнечной энергии 39в Венесуэле1.42Выводы по первой главеИССЛЕДОВАНИЕРЕСУРСОВ41СОЛНЕЧНОЙЭНЕРГИИ 43В ОБЛАСТИ АЛЬТА ГУАХИРА2.1Возможность использования солнечной энергии в области 43Альта Гуахира2.1.1Общие положения4332.1.2Ресурсы солнечной энергии в области Альта Гуахира2.1.3Анализ данных по солнечной радиации и температуре 5344воздуха на высоте 10 м над поверхностью Землигидрометеорологическойстанции"Маракайбо",баз данных "NASA" и "METEONORM"2.1.4Анализ данных прямой солнечной радиации баз данных 58"NASA" и "METEONORM"2.2Расчетприходасолнечнойрадиациинанаклонную 60поверхность и оптимизация угла наклона приемника32.3Основные технологии и материалы солнечных элементов662.4Выводы по второй главе77ИССЛЕДОВАНИЕВЛИЯЮЩИХНАОСНОВНЫХПАРАМЕТРОВ, 79ВЫРАБАТЫВАЕМУЮЭНЕРГИЮСОЛНЕНЫХ МОДУЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО ТИПА3.1Влияние основных параметров на поведение солнечных 79модулей3.1.1Общие положения793.1.2Солнечное излучение803.1.3Спектральная чувствительность813.1.4Эффективность параметров солнечного элемента813.1.5Влияние солнечного излучения на энергетические 83характеристики солнечного элемента3.1.6Влияниетемпературынаэнергетические 84характеристики солнечного элемента3.2Характеристикисолнечногомодулянаоснове 86кристаллического кремния3.2.1Влияниетемпературыхарактеристикисолнечногокристаллического кремниянаэнергетические 86модулянаоснове43.3Характеристикисолнечногомодулясголографическим 86концентратором3.3.1Общие положения3.3.2Влияние86температурынаэнергетические 87характеристики солнечного модуля с голографическимконцентратором3.4Исследованиевлияниясистемыводяногоохлаждения 88солнечного модуля на его энергетические характеристики3.4.1Общие положения3.4.2Анализ изменения различных параметров системы 9288водяного охлаждения3.5Характеристики солнечного модуля с концентратором в виде 95линзы Френеля3.5.1Общие положения3.5.2Эквивалентная электрическая схема многослойного 9795солнечного элемента3.5.3Влияниетемпературынаэнергетические 99характеристики солнечного модуля с концентраторомв виде линзы Френеля3.6Анализ энергетической эффективности применения разных 101типов солнечных модулей для условий области Альта Гуахира3.74Выводы по третьей главе106МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ СХЕМЫ 107СНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ4.1Задача определения оптимальных значений параметров схемы 107энергоснабжения автономного потребителя4.1.1Структурапотребителясхемыэнергоснабженияавтономного 10754.1.2Математическаяпостановказадачиопределения 109параметров схемы энергоснабжения4.24.3Графики нагрузки автономного потребителя1164.2.1Электрическая нагрузка автономного потребителя1164.2.2Тепловая нагрузка автономного потребителя118Моделированиережимовсистемыавтономного 120теплоснабжения и электроснабжения4.3.1Выработка теплоты с использованием солнечных 120коллекторов в течение года4.3.24.45Обеспечение электрической нагрузки энергокомплексаВыводы по четвертой главе120130ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ 132ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯЭНЕРГИИДЛЯНАОСНОВЕПОТРЕБИТЕЛЕЙСОЛНЕЧНОЙВОБЛАСТИАЛЬТА ГУАХИРА5.1Общие положения1325.2Обоснование экспортной цены органического топлива1325.3Исследование экономической эффективности использования 135солнечнойэнергиидляэнергоснабженияавтономныхпотребителей в области Альта Гуахира5.3.1Оценка экономической эффективности оптимального 136варианта для потребителя 15.3.2Оценка экономической эффективности оптимального 142варианта для потребителя 25.4Выводы по пятой главе148ЗАКЛЮЧЕНИЕ150СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ152ПРИЛОЖЕНИЯ1606ВВЕДЕНИЕВпоследнеедесятилетиевмирепроисходитбурныйростиспользования установок на основе возобновляемых источников энергии(ВИЭ), в том числе солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).

Этохарактерно как для промышленно развитых государств, так и для странс развивающейся экономикой. Использование ВИЭ позволяет не толькорешить проблемы энергоснабжения населения, но и сократить вредныевыбросы в окружающую среду, и улучшить экономическую обстановку.Применение солнечной энергетики является одним из приоритетныхнаправленийразвитиямировойэнергетики.Этообусловленонеобходимостью обеспечения стабильности поставок энергии и обострениемпроблемы изменения климата. В связи с этим, развитие солнечнойэнергетики идет быстрыми темпами: так, только в 2014 году во всем миребыло установлено 40 ГВт СФЭУ.В Венесуэле развитию солнечной энергетики способствуют двафактора.

Во-первых, в настоящее время электрическая система Венесуэлыохватываетменее30%электроснабжениесегодняэнергоустановок,особеннотерриториистраны.осуществляетсяэтокасаетсяВтолькорядеотрегионовбензиновыхмногочисленныхсельскихавтономных потребителей в отдалённых или труднодоступных регионахстраны, для которых актуальной задачей является необходимость повышенияихсоциальногоуровняжизни.Поэтомуостростоитпроблемаэнергоснабжения автономных потребителей. Во-вторых, Венесуэла играетбольшую роль в мировой энергетической политике, являясь однимиз крупнейших экспортёров нефти.

По оценке энергетической информацииСША (EIA) в 2014 году Венесуэла добыла 2,69 млн. баррелей в сутки нефтии других жидких углеводородов [1], при этом потребление нефти внутристраны растет и составляет уже больше 0,8 млн. барр./сутки, из-за того, чтотопливо реализуется населению с большой дотацией. Поскольку экспорторганического топлива является практически единственным источником7поступлений валюты в госбюджет страны, правительство планируетувеличить инвестиции в использование ВИЭ.Венесуэла обладает значительным и стабильным в течение годаприходом солнечной радиации (СР), поэтому страна имеет необходимыеусловия для эффективного использования солнечной энергии.

На территорииВенесуэлы среднегодовое поступление СР составляет от 1500 (кВт.ч)/м2.годдо 2300 (кВт.ч)/м2.год [2]. Поэтому использование солнечной энергииявляется одним из приоритетных направлений развития энергетики страны врамках развития альтернативной энергетики.Актуальность темы диссертационной работыВнастоящеевремявВенесуэлереализуетсягосударственнаяпрограмма «Посеем свет», которая направлена на сокращение потребленияорганического топлива внутри страны и увеличение доходов от экспортанефти. Программа предусматривает поэтапное внедрение энергоснабжениянабазесолнечнойэнергиипромышленныхобъектов,объектовсоциально-культурной сферы, жилых домов.

Особое место занимает задачаэнергоснабженияжителейотдаленныхрегионов,гдеотсутствуютэлектрические сети. По национальной переписи населения 2011 года,2300 населенных пунктов [3] Венесуэлы с населением около 500 тысяччеловек не имели централизованного энергоснабжения, при этом толькочасть из них использовала дизельные и бензиновые энергоустановки.Поэтому одним из основных положений этой программы является поддержкарасширенного использования солнечной энергии для энергоснабженияавтономных сельских потребителей в отдалённых районах страны.Существующиенасегодняшнийденьдотациинавнутреннееиспользование органического топлива составляют более 12 млрд.

долл. СШАежегодно. При этом очень низкая цена на бензин 0,01 долл. США за литрведет к активному использованию дизельных и бензиновых энергоустановоки способствует очень высокому уровню выбросов углекислого газа.Учитывая, что Венесуэла занимает первое место в странах Латинской8Америки по выбросам углекислого газа, достигающим 6,4 метрическихтонн/год на душу населения [4,5], широкое использование солнечной энергиипозволит улучшить состояние окружающей среды.В этой связи актуальной задачей является поэтапная реализацияпрограммы внедрения солнечной энергетики в области энергоснабженияавтономных потребителей Венесуэлы, включающей необходимость оценкитаких экономических факторов, как размеры ежегодных капиталовложений,исследование мирового рынка наиболее перспективных в энергетическомиэкономическомиспользованиявсмыслесолнечныхжаркомклиматемодулейВенесуэлы,(СМ),условияоценкиихусловийфинансирования сооружения солнечных энергоустановок государством ипотребителями и обоснование эффективных направлений расширенногоиспользования солнечной энергии для повышения социального уровня жизнимногочисленных сельских автономных потребителей в удалённых районахВенесуэлы.Цель исследованияИсследование перспективности комплексного использования ресурсовсолнечной энергии для создания эффективной системы электро- итеплоснабжения типовых автономных потребителей Венесуэлы.Основные задачи исследований:Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы ирешены следующие задачи:1.Исследованиепроблемыинформационногообеспечениягелиоэнергетических расчётов, и рассмотрение различных вариантов угловнаклона приемной площадки в области Альта Гуахира Венесуэлы.2.Исследование влияния температуры воздуха на величину отдачиразличных типов CМ и эффективности применения водяного охлажденияв условиях Венесуэлы.3.Анализ условий быта различных слоев жителей и выявлениехарактерных потребителей по уровню энергопотребления в Венесуэле.94.Разработка методического и математического обеспечения дляисследованияэффективностикомплексногоиспользованиясолнечнойэнергии в энергокомплексах (ЭК), предназначенных для энергоснабжениятиповых автономных потребителей.5.Исследование экономической целесообразности использованиясолнечных энергетических установок для энергоснабжения населенияВенесуэлы, где характерно наличие большой доли СР.Методика исследованийРешение поставленных в работе задач осуществлялось на основеиспользования методов системного анализа многомерных нелинейных задачи методов математического моделирования.Достоверность научных результатов и выводовДостоверностьнаучныхположений,теоретическихвыводови практических рекомендаций диссертации подтверждается сопоставлениемполученных результатов с результатами других авторов.Научная новизна работыНаучная новизна работы заключается в следующем:1.Исследовано влияние температуры воздуха на энергетическиехарактеристики СМ различных типов в условиях Венесуэлы.2.Разработана методика и математическая модель для расчетапараметров и режимов схем энергоснабжения автономного потребителя наоснове использования СМ различных типов с учетом влияния температурывоздуха, наличие системы охлаждения, солнечных коллекторов.3.Разработанаметодикаиматематическаямодельвыбораструктуры и параметров схемы энергоснабжения автономного потребителяна основе расчета их технико-экономической эффективности.4.Показанаперспективностьрасширенногоиспользованиясолнечной энергии в отдалённых районах Венесуэлы, в том числе и с цельюэкономии использования нефти и нефтепродуктов внутри страны дляповышения доходов Венесуэлы от экспорта нефти.10Основные положения, выносимые на защиту:1.Результатыинформационногоисследованияобеспеченияуровнясовременногогелиоэнергетическихрасчётовдляразработки перспективных проектов систем энергоснабжения автономныхтиповых потребителей по национальной программе «Посеем свет» в областиАльта Гуахира.2.Методикаиматематическаямодельрасчетапараметрови режимов схем энергоснабжения автономного потребителя на основеиспользования СМ различных типов с учетом влияния температуры воздуха,системы охлаждения, использования солнечных коллекторов.3.Результаты исследования эффективности использования ЭКна базе СФЭУ для энергоснабжения типовых автономных потребителейв области Альта Гуахира Венесуэлы по программе «Посеем свет».Практическая значимостьНа основе полученных результатов диссертационного исследованияс большей степенью обоснованности можно оценивать перспективностьиспользования ЭК на базе СФЭУ различных типов в отдаленных районах,в том числе при реализации национальной программы Венесуэлы «Посеемсвет».Апробация работыРезультатывыполненной работе докладывалисьи обсуждалисьна следующих конференциях: Пятая международная научно-практическаяконференция «научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу,основанному на знаниях» в ВВЦ, 2013 г; Двадцатая международнаянаучно-техническаяконференциястудентовиаспирантов«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в НИУ «МЭИ», 2014 г;Седьмая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов«Энергосбережение – теория и практика» в НИУ «МЭИ», 2014 г; Девятаявсероссийская научная молодежная школа с международным участием«Возобновляемые источники энергии» в МГУ, 2014 г; Двадцать первая11международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в НИУ «МЭИ», 2015 г;Двадцатьвтораямеждународнаянаучно-техническаяконференциястудентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»в НИУ «МЭИ», 2016 г.ПубликацииПо основным результатам диссертации опубликовано 9 печатныхработ, в том числе три статьи в рецензируемых печатных изданиях,рекомендованных ВАК РФ.