Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на территории Краснодарского края способно сократить потребление традиционного топлива и количество вредных выбросов от его сжигания, повысить энергонезависимость и энергетическую безопасность региона. Однако размещение объектов возобновляемой энергетики является сложным и многоуровневым процессом, при котором оцениваются множество различных критериев, прежде чем сделать вывод о пригодности и экономической целесообразности использования того или иного вида источника энергоснабжения.
Для уменьшения затрат на проведение анализа пригодности территории для размещения объектов возобновляемой энергетики и проведения предварительной оценки их экономической эффективности необходимо создать простой в использовании программный продукт, основанный на алгоритме поиска оптимальных решений, в основу которого положены матрицы пространственных характеристик потенциала ВИЭ, климатических и иных параметров местности, а также технико-экономические характеристики установок, использующих возобновляемую энергию.
Матрицы пространственных характеристик позволяют решить задачу поиска исходных данных для оценки эффективности использования ВИЭ на той или иной территории Краснодарского края, позволяя взять готовое значение необходимых параметров, таких, например, как потенциал различных видов ВИЭ для каждой выбранной для оценки территории, что значительно упрощает расчёты и сокращает время на их проведение.
Для выбора характеристик, для которых составляются матрицы, необходимые для оценки эффективности размещения объектов возобновляемой энергетики, рассмотрим расчёт мощности и количества вырабатываемой энергии для установок возобновляемой энергетики.
Начнём с выражения выработки электрической энергии солнечной фотоэлектрической установки в i-м месяце:
Wi = WвалFсмmηк[1 — ηрасч(t — t0)/120]ηm∆Pηm∆Э, (1)
где Wвал — валовой удельный приход солнечной радиации на рассматриваемую площадку, кВт·ч/м²; m — количество модулей в солнечной батарее; ηк — КПД кремниевого солнечного элемента; t — температура окружающей среды для заданного месяца, °C; t = 25°C — стандартная температура солнечного элемента; ηрасч — коэффициент полезного действия солнечного элемента для расчётных условий; ηm∆P и ηm∆Э — соответственно, потери мощности, определяемые последовательным соединением элементов и передачей энергии до потребителя.
Мощность солнечной фотоэлектрической электростанции для i-го месяца рассчитывается по формуле:
Nфэ = EгinFгηфэ, (2)
где Егi — среднемесячное значение облучённости солнечного элемента для i-го месяца, Вт/м²; n — число солнечных элементов; Fг — площадь солнечного элемента, м; ηфэ — КПД кремниевого преобразователя, ηфэ = 0,14.
Таким образом, для определения энергетических параметров солнечной фотоэлектрической установки необходимо установить значения следующих критериев окружающей среды: средняя температура окружающей среды по месяцам, валовый удельный приход солнечной энергии по месяцам и среднесуточная облучённость горизонтальной площадки по месяцам.
Следующим определим среднемесячное количество тепла, получаемое приёмником солнечной тепловой электростанции башенного типа через гелиостаты за один час i-го месяца:
Qпр = EгinRотрAпогл, (3)
где Rотр — коэффициент отражения гелиостата; Aпогл — коэффициент поглощения приёмника. Средняя мощность солнечной электростанции башенного типа для i-го месяца года:
Nбаш = Qпрηoiηмηг, (4)
где ηoi — относительный внутренний КПД турбины; ηoi = 0,85; ηм и ηг — механический КПД и КПД электрогенератора, ηм = 0,975, ηг = 0,985, соответственно.
Для солнечной тепловой электростанции важны те же критерии, что и для фотоэлектрической, таким образом, будем рассматривать оба вида солнечных энергоустановок вместе.
Количество энергии, которая может быть выработано ветроустановкой для каждого месяца с удельной ометаемой площади с учётом повторяемости скоростей для заданного района, определяется по следующей формуле:
Wудм = βτΣvpvmax(vi3t*) + vp3Σvpvmax(t*), (5)
где β — коэффициент, учитывающий характеристики ветра, β = 2×10–4; τ — число часов работы ветроустановки (ВЭУ) в месяце, ч; vi — средняя скорость в градации, м/с; vp — рабочая скорость ВЭУ, м/с; vmax — максимальная скорость ВЭУ, м/с; vmin — минимальная скорость ветроустановки, м/с; t* — повторяемость скорости ветра для данной градации.
Удельная мощность ветроустановки при рабочей скорости ветра:
Nбет = ξρвозд0,5(πd2)0,5vp3, (6)
где ξ — коэффициент использования ветра; ρвозд — плотность воздуха, кг/м³; d — диаметр ветроколеса, м.
Как видно из формул (5) и (6), для определения эффективности размещения ветровой электростанции необходимо учитывать скорость и повторяемости скоростей для заданного района, а также среднюю температуру по месяцам, так как от неё напрямую зависит плотность воздуха.
Количество тепла, получаемое из скважины для работы гидротермальных тепловых электростанций (ГеоТЭС):
Qгт = GρводC(tг — tх)/3600, (7)
где G — дебет скважины, м³/ч; ρвод — плотность воды, кг/м³; С — теплоёмкость воды, кДж/(кг·К); tг и tх — температура воды из скважины и после отбора теплоты, соответственно, К.
Мощность геотермальной теплоэлектростанции:
Nгео = Qгтηoiηмηг. (8)
Таким образом, для гидротермальной ГеоТЭС основными являются температура воды и дебет геотермальной скважины.
Количество тепловой энергии, получаемое от сжигания биогаза, полученного за час, при переработке навоза сельскохозяйственных животных:
Qбио = (1/3600)K(Mсут/24)n[(1 — W)Pqбио — (c/η)(tб — tз)], (9)
где С — средняя теплоёмкость загружаемой биомассы, кДж/(кг·°К); tб — температура процесса брожения, °К; tз — температура загружаемой массы, °К; η — КПД процесса; К — коэффициент, учитывающий наличие подстилки в установке; Мсут — суточный выход навоза в зависимости от вида животных, кг/сут.; n — количество голов; Р — доля сухого органического вещества (СОВ) в сухом веществе навоза; qбио — теплотворная способность биогаза, кДж/м³.
Мощность биогазовой теплоэлектростанции:
Nбио = Qбиоηoiηмηг. (10)
Из формул (10) и (11) видно, что для биогазовой установки важным критерием окружающей среды является только температура.
Таким образом, четыре из необходимых для определения оптимально положения объектов возобновляемой энергетики критериев являются климатическими, а два — геологическими, и все они привязаны к географическому положению и, соответственно, могут быть представлены в виде матрицы пространственных характеристик.
Для получения климатически данных могут использоваться климатические справочники [1, 2], компьютерные базы данных [3] и геоинформационные системы (ГИС) [4], климатические карты и атласы [5], а также расчёты [6].
Для составления матриц пространственных характеристик энергетических параметров возобновляемых источников энергии Краснодарского края могут быть использованы многолетние наблюдения за климатом, сбор и систематизацию которых в Краснодарском крае осуществляют 30 метеорологических станций [7], а также результаты, полученные в исследованиях В. В. Бутузова [8] и Е. А. Киселёвой и др. [9].
Для получения данных о температуре и дебете геотермальных вод Краснодарского края могут быть использованы карты геотермальных ресурсов Краснодарского края [10].
Климатические справочники и бумажные карты ресурсов ВИЭ всё ещё являются основным источником климатических данных, однако большинство из них не корректировались в течение десятков лет. Компьютерные базы данных и электронные карты энергетических ресурсов возобновляемых источников энергии (ВИЭ), например, российская ГИС ВИЭ [11] или американская NASA SSE [12], имеют слишком большой масштаб (1°×1°), что составляет 1,23 млн га.
Таким образом, на всей площади Краснодарского края будет всего девять полных квадратов, что не позволяет провести адекватный анализ эффективности размещения объектов возобновляемой энергетики. Поэтому в тех случаях, когда это возможно, для построения матриц пространственных характеристик должны быть использованы данные метеорологических станций и данные, полученные для территории Краснодарского края местными учёными [8, 9].
Следует также отметить, что некоторые из приведённых источников климатических данных имеют интервал наблюдения четыре часа и более, а в ряде случаев величина интервала и вовсе не регулярна, что не позволяет их использовать для внутрисуточной оценки выработки энергии, и делать на их основании выводы о надёжность энергоснабжения, так как при таких интервалах не учитывается стохастический характер поступления солнечной радиации или ветрового ресурса. Устранение данного фактора требует проведения дополнительных метеорологических изысканий на территории Краснодарского края, направленных на уточнение и заполнение пробелов в существующих базах климатических данных. Однако для оценки среднемесячных значений мощности и выработки энергии от ВИЭ приведённые источники климатических данных достаточны, так как их интервал наблюдений значительно меньше, чем период, для которого производится расчёт.
Анализ данных осуществляется по алгоритму, предназначенному для построения матриц пространственных характеристик на основе данных о значениях параметров, влияющих на оценку эффективности размещения объектов возобновляемой энергетики. Для каждого такого параметра создаётся своя матрица пространственных характеристик.
Основные этапы алгоритма:
1. Получение исходных данных.
2. Привязка исходных данных к матрице пространственных характеристик по известным координатам.
3. Расчёт значений незаполненных ячеек матрицы пространственных характеристик.
3.1. Если исходные данные — точки, то производится расчёт по методу «все точки в радиусе».
3.2. Если исходные данные — изолинии, то производится расчёт незаполненных точек матрицы пространственных характеристик методом линейной интерполяции между двумя изолиниями.
4. Вывод матрицы пространственных характеристик.
В первом пункте алгоритма определяется, каким именно образом будут заданы исходные значения, если исходные данные представлены в виде данных метеорологических станций или таблицы, то исходным видом будут точки, а если карты ресурсов, то исходными данными будут изолинии. Задаются исходные значения точек или изолиний, необходимые для расчёта. Во втором пункте происходит привязка ячеек матрицы к географическим координатам.
В третьем пункте осуществляется нахождение значений во всех точках матрицы пространственных характеристик. Так как для каждого параметра создаётся своя матрица пространственных характеристик, то и значение в ячейке матрицы определяется только одно, соответствующее значению выбранного параметра на территории Краснодарского края, соответствующее данной ячейке матрицы.
При использовании метода нахождения значения в ячейке матрицы «все точки в радиусе» применяется метод пространственной нелинейной интерполяции [13, 14], при этом радиус поиска выбирается исходя из мощности компьютера, на котором происходит расчёт. Следует учитывать, что в радиусе поиска должны находиться как минимум две противолежащие точки, между которыми можно построить отрезок, на котором также находится искомая точка, иначе высока вероятность получить недостоверный результат.
В случае, если исходные данные заданы изолиниями, расчёт производится методом интерполяции [14] между ближайшими точками на двух изолиниях, между которыми расположена искомая точка.
Представленный выше алгоритм может быть реализован при помощи компьютерного моделирования, что значительно уменьшит время расчёта.
Заключение
Создание матриц пространственных характеристик энергетического потенциала возобновляемых источников энергии позволит в значительной степени облегчить процесс расчёта параметров объектов возобновляемой энергетики, что сделает использование альтернативных источников энергии доступным для простого человека.
Для расчёта энергетических характеристик достаточно получить информацию о температуре воздуха, поступающей солнечной радиации, скорости и повторяемости ветра, температуре и дебете геотермальных скважин. Для получения данных в каждой ячейке матрицы целесообразно использовать компьютерное моделирование.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Краснодарского края в рамках научного проекта №19-48-233019 (р_мол_а).
