ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА ПРИМЕРЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ НА ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На территории Российской Федерации основными источниками альтернативной электроэнергетики являются: энергии Солнца, ветра, течений рек. Наиболее часто использующимся таким источником является энергия рек. Строительство гидроэлектростанций в России развито ещё с советских времён. Глубоко изучены аспекты гидроэнергетики. ГЭС даёт большое количество дешёвой электроэнергии, по стоимости меньше или равной электроэнергии, получаемой с ТЭС или АЭС. Но если месторождения нефти, угля, урановой руды имеют свойство истощения, то реки – возобновляемый ресурс. По мере истощения ресурсов, многим городам, находящимся вдали от крупных рек и ГЭС может грозить энергетический кризис. Поэтому исследования проблем использования разных альтернативных источников энергии не должны игнорироваться.

Большой проблемой альтернативной энергетики является отсутствие конкретных данных по её «мощностям». Для её решения необходимы исследования.

В солнечной энергетике необходимы данные о солнечном излучении, КПД устройств, влияние облачности, осадков и их продолжительности в разные периоды времени на выработку электроэнергии различными устройствами.

Прежде чем выстраивать порядок оценки солнечной энергии, уточним, что на разных широтах долгота дня в одно и то же время года различаются. Из астрономии, долготу дня можно вычислить по следующей формуле:

         (1.0)

где,

DT – (Day Time) долгота дня в часах

α – широта участка, для которого измеряется долгота дня

β – угол, который прошла планета с момента весеннего равноденствия

γ – широта тропиков 23,45°

При значениях аргумента arccos больших 1 наступает полярный день, при значениях меньше -1 наступает полярная ночь.

Так как в течении месяца долгота дня изменяется незначительно, то будем считать среднемесячную долготу дня. Известно, что при движении вокруг Солнца Земля описывает окружность. Тогда, угол β будет изменяться с шагом в 30°. Всего 12 измерений.

Но как мы знаем, солнечное излучение распадается на прямую и диффузную части, и чем больше помех на его пути, тем большая его часть будет диффузной вплоть до 100%. Постоянно измерять диффузное и прямое излучение не представляется возможным. Однако, мы можем получить климатические данные.

Для вычисления количества вырабатываемой электроэнергии солнечными панелями имеет большое значение среднемесячная информация по общей облачности (Рисунок 1).

Рисунок 1. Фрагмент климатических данных

С климатических данных имеем:

k₀ – коэффициент общей облачности (так как облачность считается по десятибалльной шкале, то число баллов умножим на 0,1)

B – среднее число ясных дней в месяц (Bright)

C – среднее число облачных дней в месяц (Cloudy)

G – среднее число пасмурных дней в месяц (Gloomy)

Ясный день – полное отсутствие облаков. Облачный день – облака присутствуют, но они не полностью перекрывают небесный свод. Пасмурный день – облаками затянут весь небесный свод. Отсюда имеем следующие два коэффициента облачности:

Коэффициент облачности для ясных дней: k_B → 0

Коэффициент облачности для пасмурных дней: k_G → 1

Получаем формулу:

                                 (2.0)

Отсюда, коэффициент облачности для облачных дней будет равен:

                                               (2.1)

Используя данные географических координат и климатические данные, на основании формул (1.0) и (2.1), можем получить формулу, по которой будет производиться расчёт среднего количества электроэнергии, вырабатываемой одной солнечной панелью за год её работы (2.2):

   (2.2)

Wгод – среднее количество электроэнергии, вырабатываемой одной солнечной панелью за год,

Wном – номинальная мощность одной солнечной панели, где

i – порядковый номер месяца (1 – январь)

B – число ясных дней

C – число облачных дней

G – число пасмурных дней

k₀ – коэффициент общей облачности

Важно! Так как солнечные панели генерируют электричество от оставшейся мощности солнечного света при наличии облачности, то и продолжительность дня умножается на разность коэффициентов полной облачности (всегда равен 1) и текущей облачности.

Модель оценки солнечной энергии включает в себя следующие этапы:

•  Извлечение географических и климатических данных
•  Тематическая обработка
•  Импортирование данных в ГИС
•  Визуализация данных

Имеем xlsx файл с исходными данными (данные взяты с сайта [11]).  Содержит в себе следующие строки: Название города, его координаты, облачность в баллах по месяцам, количество ясных, облачных, пасмурных дней по месяцам, средняя продолжительность дня за каждый месяц (DT) (Рисунок 3).

Рисунок 3. Файл исходных данных

Таким образом, можно собирать, обрабатывать, хранить и использовать данные по различным альтернативным источникам электроэнергии.

В ветровой энергетике необходимы данные о скорости ветра и его продолжительности в разные периоды времени, температуре воздуха, влажности (проблема обледенения). Электроэнергия не вырабатывается при недостаточной скорости ветра и чрезмерно высокой (ветрогенераторы отключаются от нагрузки).

В геотермальной энергетике необходимы данные о породах и температурах на разных глубинах, «нагретых» площадях.

В биоэнергетике необходимы данные о сельхоз угодьях, фермах, что на них выращивается, какая продукция является отходами, количество этих отходов.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 51597-2000 Нетрадиционная энергетика. Модули солнечные фотоэлектрические. Типы и основные параметры. http://docs.cntd.ru/document/1200026448
2. Погода и климат http://www.pogodaiklimat.ru/climate/27612.htm
3. IEC 61853 http://www.solarabcs.org/about/publications/reports/pv-mod-power-rating/pdfs/PVModulePowerRatingReport.pdf