Оценка валового энергетического ресурса солнечной энергии

Источники информации для оценки величины валового ресурса солнечной энергии. Информационной основой для оценки величины этого валового ресурса, а затем и 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[9] информация о распределении ресурсов энергии солнца базы данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE)[10] . 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[11] . 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[12] (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[13] (рис.4.5) 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.4.5. 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. 4.6) можно проанализировать уровень солнечной радиации на территории Крыма[14].

Рис. 4.6. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по

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

поверхность южной ориентации)

Неподвижная панель, размещённая под оптимальным углом наклона, способна воспринять в 1,2-1,4 раза больше энергии по сравнению с горизонтальной, а если она будет поворачиваться вслед за Солнцем, то прибавка составит 1,4 – 1,8 раза.

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[15]» 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. 4.8.

Рис. 4.8. 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 пересчета 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.

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 энергии солнца вряд ли также имеет смысл оценивать соответствующие потенциалы ресурсосбережения и экологические потенциалы.