Оценка валового энергетического ресурса (потенциала) солнечной энергии

Анализ факторов, влияющих на величину валового энергетического ресурса солнечной энергии.Энергия солнечной радиации, падающая на Землю, в 10000 раз превышает количество энергии, вырабатываемой человечеством. На мировом коммерческом рынке покупается и продается около 85∙10³ млрд. кВт·ч энергии в год. Крайне сложно оценить, сколько некоммерческой энергии потребляет человечество. Некоторые эксперты считают, что некоммерческая составляющая близка к 20% от всей используемой энергии.

Потребление электроэнергии по России в целом в 2015 году составило 1,036∙10³ млрд. кВт•ч. Российская Федерация обладает огромным валовым ресурсом использования солнечной энергии. Энергия суммарного годового солнечного излучения, попадающего на горизонтальную поверхность территории нашей страны составляет около 20,743∙10⁶ млрд. кВт∙час/год, что превышает потребность в энергии примерно в 20000 раз.

Облучение земной поверхности солнечной радиацией, оказывающей световое, тепловое и бактерицидное воздействие, называют инсоляцией.

Инсоляция измеряется количеством энергии солнечного излучения, падающей на единицу горизонтальной поверхности в единицу времени.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м² - солнечная постоянная.

Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря - 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики. Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Суммарное солнечное излучение в атмосфере Земли складывается из прямого и рассеянного излучений. Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от:

– географической широты местности,

– местного климата и времени года,

– плотности, влажности и степени загрязнения атмосферного воздуха,

– годового и суточного движения Земли,

– характера земной поверхности,

– от угла наклона поверхности, на которую попадает излучение, по отношению к Солнцу.

Атмосфера поглощает часть солнечной энергии. Чем больше длина пути солнечных лучей в атмосфере, тем меньше прямой солнечной энергии доходит до поверхности земли. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в районе экватора в зоне тропиков. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей растет и уменьшается угол их падения на земную поверхность. В результате:

увеличиваются потери энергии в атмосферном воздухе,

солнечное излучение распределяется на большую территорию,

уменьшая количество прямой энергии, попадающей на единицу площади, и

увеличивая долю рассеянного излучения.

Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на поверхность земли. Важным фактором, определяющим потенциала солнечной энергии, является продолжительность солнечного излучения в течение года[44] (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Продолжительность солнечного сияния на территории России, час/год

Для высокоширотных территорий, где значительная часть зимнего времени приходится на полярную ночь, различие в поступлении радиации летом и зимой может быть достаточно велико. Так за Полярным кругом продолжительность солнечного сияния изменяется от 0 часов в декабре до 200 – 300 часов в июне и июле при годовой продолжительности около 1200 – 1600 часов. На севере страны количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, в зимнее время отличается от среднегодового значения менее чем на 0,8 кВт·ч/(м²×день), в летнее время - более чем на 4 кВт·ч /м². Если в зимние месяцы уровни солнечной радиации в северных и южных регионах России сильно отличаются, то летние показатели инсоляции на этих территориях за счет длительного светового дня в северных широтах оказываются вполне соизмеримыми. Однако из-за более низкой годовой продолжительности солнечного сияния приполярные территории уступают по суммарной солнечной радиации районам средней полосы и юга соответственно в 1,3 и 1,7 раза.

Климатические условия в конкретной местности определяют продолжительность и уровень облачности в регионе, влажность и плотность воздуха. Облака - основное атмосферное явление, уменьшающее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. На их формирование оказывает влияние такие особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться.

Характер земной поверхности и рельефа местности сказывается и на ее отражательной способности. Способность поверхности отражать радиацию называетсяальбедо (от латинского - белизна). Установлено, что альбедо земной поверхности изменяется в весьма широких пределах. Так, альбедо чистого снега равно 85-90 %, песка – 30-35%, чернозема – 5-14%, листьев зеленых – 20-25%, листьев желтых – 33-39%, водной поверхности при высоте Солнца 90⁰ – 2%, водной поверхности при высоте Солнца 20⁰ – 78 %. Отраженная радиация увеличивает составляющую рассеянного излучения.

Антропогенные и природные загрязнения атмосферы также могут ограничивать количество солнечной радиации, которое может попасть на земную поверхность. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. Эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.

Количество солнечной энергии, падающей на принимающую ее поверхность, изменяется и при изменении положения Солнца в течение суток в разные месяцы года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения солнечных лучей через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности. Кроме того, отклонение угла падения солнечных лучей на принимающую поверхность от 90^о приводит к снижению количества попадающей на единицу площади энергии – эффект проекции. Влияние этого эффекта на уровень инсоляции можно увидеть на рисунке 4.2.

300

900

1 км

2 км

1 км

1 км

Рис. 4.2. Влияние изменения угла падения солнечных лучей на величину

инсоляции – эффект проекции

Один поток солнечной энергии шириной в 1 км падает на землю под углом 90 °, а другой той же ширины - под углом 30 °. Оба потока несут одинаковое количество энергии. В этом случае косой солнечный луч распространяет свою энергию на площадь в два раза большую, чем луч, перпендикулярный к принимающей поверхности, а, следовательно, на единицу площади в единицу времени будет поступать вдвое меньше энергии.

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию(поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу(отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мере задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.

Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года.

Для понимания процессов, влияющих на уровень солнечной радиации, имеет смысл ознакомиться со способом задания положения точки А на поверхности Земли относительно положения Солнца на небесном своде и положением точки наблюдения А относительно падающих на нее солнечных лучей при поступлении их на землю в разное время года и суток.

Положение некоторой точки А на поверхности Земли относительно Солнца в рассматриваемый момент времени определяется тремя основными углами: углом склонение Солнца δ, широтой местности j и часовым углом w (рис. ).

δ

экватор

ось Земли

А – точка наблюдения

φ

w

Угол склонение Солнца δ - это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца в течение года непрерывно изменяется - от -23°27' в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27' в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Широта точки A - это угол φ между направлением на данную точку из центра Земли и плоскостью экватора, принадлежащий плоскости меридиана этой точки. Широта отсчитывается вдоль меридиана к югу и северу от экватора в градусах, минутах и секундах в соответствии с углом данной широтной параллели от 0° до 90°.

Часовой угол w - угловое расстояние, измеренное вдоль небесного экватора на запад от небесного меридиана (той его части, которую солнце пересекает в момент верхней кульминации) до часового круга, проходящего через избранную точку на небесной сфере.

Часовой угол является результатом перевода местного солнечного времени в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Так как Земля поворачивается на 15⁰ за один час (360^о/24 часа), то за каждый час после полудня Солнце проходит 15⁰. Утром угол солнца отрицательный, вечером - положительный.

Небесный экватор – это большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира (ось вращения земли) и совпадает с плоскостью земного экватора.

Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие, с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие, с вершиной в южном полюсе мира.

Небесный меридиан — большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира (ось вращения земли).

Плоскость меридиана точки наблюдения A – плоскость, проходящая через данную точку и ось вращения Земли.

Меридиан точки A - это линия пересечения плоскости меридиана точки A с поверхностью сферы Земли.

Оценка потенциала солнечной энергии в точке А на поверхности Земли требует знания положения этой точки относительно падающих на нее солнечных лучей (рис. ).

Юг

Север

Восток

Запад

траектория Солнца

горизонт

z

α

a

А

Рис. . Положение точки наблюдения А относительно падающих

солнечных лучей

Рассмотрение будет производиться в горизонтальной системе координат.В этой системе начало координат помещается в точке нахождения наблюдателя на поверхности земли. В качестве основной плоскости выступает горизонтальная плоскость - плоскость математического горизонта. Одной координатой в этой системе является либо высота солнца α, либо его зенитное расстояние z. Другой координатой является азимут а.

Математический горизонт — большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии в точке нахождения наблюдателя.

Математический горизонт не совпадает с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли, различной высотой точек наблюдения, а также искривления лучей света в атмосфере.

Зенитный угол Солнца z- это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точке наблюдения А.

Угол высоты Солнца α - это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма α+z равна 90°.

Азимут Солнца а - это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг.

Азимут поверхности а_п фотоэлектрической панели или солнечного коллектора измеряется как угол между нормалью к рассматриваемой поверхности и направлением на юг.

Местное истинное солнечное время – это время, определяемое в месте нахождения наблюдателя видимым положением Солнца на небесной сфере. 12 часов по местному солнечному времени соответствует времени, когда Солнце находится в зените (выше всего на небе).

Местное время обычно отличается от местного солнечного времени из-за наличия эксцентриситета земной орбиты, использования людьми временных зон и искусственных временных смещений для экономии энергии.

Источники информации для оценки величины валового ресурса (потенциала) солнечной энергии. Информационной основой для оценки величины этого валового ресурса (потенциала) солнечной энергии являются данные измерений солнечной радиации в различных регионах страны в кВт·ч/(м²∙день) с последующим делением территории региона на зоны с относительно однородным значением уровня инсоляции. Для этих целей необходима информация, сформированная с использованием результатов актинометрических наблюдений, т.е. данные об интенсивности прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, о радиационном балансе и характере отражения излучения от земной поверхности (альбедо).

Учитывая резкое сокращение числа метеостанций, ведущих наземные актинометрические наблюдения на территории России, последние годы для оценки валового потенциала (ресурса) солнечной энергии использовалась[45] информация о распределении ресурсов энергии солнца базы данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE)[46] . Эта база формировалась на основе спутниковых измерений радиационного баланса земной поверхности, проводившихся в рамках программы World Climate Research Program’s International Satellite and Cloud Climatology Program (ISCCP) с июля 1983 года по июнь 2005 года. По их результатам с использованием различных моделей распространения солнечного излучения в атмосфере и с учетом характера отражения излучения от земной поверхности, состояния облачности, загрязнения атмосферы аэрозолями и других факторов рассчитаны значения месячных сумм солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, для сетки 1º×1º, покрывающей весь земной шар, включая и территорию Российской Федерации[47] . Использование математических моделей позволило оценить уровень инсоляции не только на горизонтальную, но и на вертикальную плоскость, а также на поверхности с углами наклона равными широте местности, на 15 градусов меньшими и большими широты, на оптимально ориентированную поверхность и поверхность, следящую за солнцем[48] (кВт·ч/(м²∙день).

Бытующее мнение о том, что Россия, расположенная преимущественно в средних и высоких широтах, не располагает значительными ресурсами солнечной энергии для ее эффективного энергетического использования, не соответствует действительности. На изображенной ниже карте[49] (рис.4.4) приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации по территории России, поступающей в среднем за день на 1 площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации на единичную площадку максимально).

Рис.4.4. Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной

радиации по территории России, кВт×час/(м²×день) (оптимально

ориентированная поверхность южной ориентации)

Рассмотрение представленной карты показывает, что в сегодняшних границах России наиболее "солнечными" являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (4,5-5 кВт×час/(м²×день) и выше). Интересно, что известные черноморские курорты (Сочи и др.), по среднегодовому поступлению солнечной радиации (с точки зрения природного потенциала и ресурса солнечной инсоляции) относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0-4,5 кВт×час/(м²×день)).

Для энергетически плохо обеспеченных районов с децентрализованным энергоснабжением важным является тот факт, что более 60 % территории страны, в том числе и многие северные регионы, характеризуются среднегодовым дневным поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт×час/(м²×день), что не отличается от юга Германии, широко использующего солнечные установки.

Анализ карты свидетельствует, что в Российской Федерации наибольшая интенсивность инсоляции от 4,5 до 5,0 кВт×час/м² и более в день наблюдается в Приморье, на юге Сибири, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, и даже за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли, а не в южных районах страны. По солнечному потенциалу, 4,0 - 4,5 кВт×час/(м²×день), Краснодарский край, Ростовская область, южная часть Поволжья, большая часть Сибири (включая Якутию), южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин, обширные территории от Красноярского края до Магадана, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО относятся к той же зоне, что и Северный Кавказ с известными российскими черноморскими курортами. Для Нижнего Новгорода, Москвы, Санкт-Петербурга, Салехарда, восточной части Чукотки и Камчатки характерна средняя солнечная радиация от 2,5 до 3 кВт×час/м² в день. На остальной территории страны преобладает интенсивность инсоляции от 3 до 4 кВт×час/м² в день.

Наибольшую интенсивность поток энергии имеет в мае, июне и июле. В этот период в средней полосе России на 1 кв. метр поверхности приходится 5 кВт×час в день. Наименьшая интенсивность в декабре-январе, когда 1 кв. метр поверхности приходится 0,7 кВт×час в день.

Учитывая сложившуюся ситуацию, на карте Украины (рис. 4.3) можно проанализировать уровень солнечной радиации на территории Крыма[50].

Рис. 4.3. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по

территории Украины, кВт×час/(м²×год) (оптимально ориентированная

поверхность южной ориентации)

Валовый природный энергетический ресурс солнечной энергии на территории Российской Федерации.Последняя оценка валовых энергетических ресурсов, а затем и технических потенциалов, солнечной энергии с дифференциацией по субъектам Российской Федерации была проведена в 2014 – 2015 годах сотрудниками МГУ им. М.В. Ломоносова и Объединенного института высоких температур РАН на основе информация NASA о среднемесячном количестве солнечной радиации, попадающей на 1 м² горизонтальной поверхности в течение дня (кВт·ч/(м²∙день). Эти сведения позволяют оценить размеры электроэнергетического, теплоэнергетического и топливного ресурса энергии солнца на территории России.

В рамках разработки «Атласа ресурсов возобновляемой энергии на территории России[51]» с дифференциацией по субъектам федерации оценено среднее количество солнечной радиации в млн. кВт∙ч, попадающей на 1 квадратный километр территории в течение года (или в кВт∙ч /(м²∙год)) рис. 4.3.

Рис. 4.3. Распределение годовых ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации с детализацией по субъектам федерации

На карте каждому субъекту федерации поставлен в соответствие его код.

Список субъектов федерации с указанием их кодов с дифференциацией по федеральным округам России представлен ниже. С учетом специфики оценки энергетического потенциала ВИЭ города Москва и Санкт-Петербург объедены с Московской и Ленинградской областями соответственно с присвоением объединенной территории кода области. Субъекты федерации с большой протяженности с Севера на Юг могут быть разделены на части: Север, Центр, Юг.

1. Центральный ФО: (31) Белгородская область, (32) Брянская область, (33) Владимирская область, (36) Воронежская область, (37) Ивановская область, (40) Калужская область, (44) Костромская область, (46) Курская область, (48) Липецкая область, (50) Московская область и Москва, (57) Орловская область, (62) Рязанская область, (67) Смоленская область, (68) Тамбовская область, (69) Тверская область, (71) Тульская область, (76) Ярославская область.

2. Северо-Западный ФО: (10) Республика Карелия, (11) Республика Коми, (29) Архангельская область, (35) Вологодская область, (39) Калининградская область, (47) Ленинградская область и Санкт-Петербург, (51) Мурманская область, (53) Новгородская область, (60) Псковская область, (83) Ненецкий АОк.

3. Южный ФО:(1) Республика Адыгея, (8) Республика Калмыкия, (23) Краснодарский край, (30) Астраханская область, (34) Волгоградская область, (61) Ростовская область, (91) Республика Крым и Севастополь.

4. Северо-Кавказский ФО: (5) Республика Дагестан, (6) Республики Ингушетия, (7) Республика Кабардино-Балкария, (9) Республика Карачаево-Черкесия, (15) Республика Северная Осетия-Алания, (20) Чеченская республика, (26) Ставропольский край.

5. Приволжский ФО: (2) Республика Башкортостан, (12) Республика Марий Эл, (13) Республика Мордовия, (16) Республика Татарстан, (18) Республика Удмуртия, (21) Республика Чувашия, (43) Кировская область, (52) Нижегородская область, (56) Оренбургская область, (58) Пензенская область, (59) Пермский край, (63) Самарская область, (64) Саратовская область, (73) Ульяновская область.

6. Уральский ФО: (45) Курганская область, (66) Свердловская область, (72) Тюменская область, (74) Челябинская область, (86) Ханты-Мансийский Аок-Югра, (89) Ямало-Ненецкий АОк.

7. Сибирский ФО: (3) Республика Бурятия, (4) Республика Алтай, (17) Республика Тыва, (19) Республика Хакасия, (22) Алтайский край, (24) Красноярский край (24-1. Север, 24-2. Центр, 24-3. Юг), (38) Иркутская область (38-1. Север, 38-2. Юг), (42) Кемеровская область, (54) Новосибирская область, (55) Омская область, (70) Томская область, (75) Забайкальский край.

8. Дальневосточный ФО: (14) Республика Саха (Якутия) (14-1. Север, 14-2. Центр, 14-3. Юг), (25) Приморский край, (27) Хабаровский край, (27-1. Север, 27-2. Юг), (28) Амурская область, (41) Камчатский край, (49) Магаданская область, (65) Сахалинская область, (79) Еврейская АО, (87) Чукотский АОк.

Владея этой информацией и зная площадь (км²) территории каждого из субъектов, легко перейти к оценке валового природного электроэнергетического ресурса солнечной энергии, измеряемого в млн. кВт∙ч/год

Учитывая, что коэффициент перевода 1 кВт∙час энергии в Гкал равняется =0,0008598 Гкал/ кВт∙час, можно легко перейти от валового электроэнергетического ресурса к валовому природному теплоэнергетическому ресурсу

Переход от электроэнергетического ресурса к топливному электроэнергетическому осуществляется с использованием коэффициент перерасчета электроэнергии в тонны условного топлива тут/тыс.кВт∙час по угольному эквиваленту, необходимые для производства электрической энергии на тепловых электрических станциях, (млн. тут/год)

Размеры топливного природного теплоэнергетического ресурса оцениваются с использованием коэффициент перерасчета тепловой энергии в тонны условного топлива т.у.т./Гкал

Значения коэффициентов перерасчета электроэнергии и тепла в тонны условного топлива изменяется с учетом технического прогресса в сфере тепловой энергетики.

В таблице приведены результаты оценки этих трех видов энергетических ресурсов с дифференциацией по федеральным округам РФ.

Таблица . Валовые природные энергетические ресурсы солнечной энергии с дифференциацией по федеральным округам РФ

Казалось бы, что исходя из экономических соображений, связанных с естественным желанием получить больше полезной энергии и снизить уровень капитальных и текущих затрат на единицу вырабатываемой энергии, целесообразно было бы оценивать валовый ресурс, а затем и технический потенциал солнечной энергии, по количеству энергии, попадающей не на горизонтальную, а на оптимально ориентированную поверхность (поверхность, ориентированную на юг, угол ее наклона к горизонту определяется максимумом приходящегося на нее количества солнечного излучения). Однако на выделенной для размещения солнечных преобразователей территории количество, а, следовательно, и площадь оптимально ориентированных фотоэлектрических панелей, будет меньше количества (площади) горизонтально расположенных панелей. Это явление объясняется необходимостью увеличения расстояний между параллельными рядами панелей вследствие появления тени от впереди расположенных рядов оборудования. Длина тени и динамика ее изменения непосредственно связанно с местом расположения солнечной электростанции, а потому различным регионам будет соответствовать своя плотность размещения солнечных панелей и свой уровень выработки энергии с единицы площади территории.

Нетривиальность задачи размещения оптимально ориентированных фотоэлектрических панелей в разных районах страны влияет на целесообразность использования такой ориентации для оценки энергетического потенциала.

На этапе оценки валового ресурса (потенциала) энергии солнца вряд ли также имеет смысл оценивать соответствующие потенциалы ресурсосбережения и экологические потенциалы.