Расчет ресурсов солнечной энергии Республики Тыва Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.243

Д. Д. ОНДАР

Омский государственный технический университет

РАСЧЕТ РЕСУРСОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ РЕСПУБЛИКИ ТЫВА

В данной статье предлагается метод расчета ресурсов солнечной энергии и приводятся результаты расчета ресурсов солнечной энергии для Республики Тыва, используя метеоданные за 22 года.

Ключевые слова: солнечная энергия, валовый потенциал солнечной энергии, технический потенциал солнечной энергии, экономический потенциал солнечной энергии.

В последние годы животноводческих хозяйств становятся все больше и большинство из них не элек-трофицированы, особенно летние стойбища. Установка трансформаторных подстанций очень дорога, плюс еще протяжка линий электропередач на несколько километров. Для получения электричества люди используют дизель- или бензо-генераторы. Все это хорошо, но есть простой способ «бесплатно» получить тепловую и электрическую энергию без всяких дорогостоящих подстанций и генераторов — это энергия Солнца. Фотоэлектрический преобразователь — электричество, солнечный коллектор — тепло и горячее водоснабжение. Используя энергию Солнца, мы не только сохраняем природные ресурсы, но и заботимся об окружающей среде.

Чтобы использовать грамотно и с наибольшей выгодой солнечную энергию, для начала надо определить ресурсы этой энергии. В данной статье приведены результаты расчета по определению ресурсов солнечной энергии (СЭ) для Улуг-Хемского района (Республика Тыва) площадью 5335,4 км2.

Все метеоданные (среднемноголетние данные за 22 года) для определения ресурсов были взяты из [1].

1. Валовый потенциал СЭ. Валовый (теоретический) потенциал солнечной энергии региона — это среднемноголетняя суммарная энергия солнечного излучения, падающая на площадь региона в течение одного года, Шв, кВтч/год.

Среднемноголетний приход солнечной энергии на единицу площади в год (табл. 1):

Е = 1308,81, кВт.ч/(м2тод).

Валовый потенциал солнечной энергии: W = Е' Б = 1308,81 Б = 1308,815335,4'106 =

в

= 6983,025'109 кВт. ч/год.

2. Технический потенциал СЭ. Технический по-

тенциал солнечной энергии региона — это средне-

многолетняя суммарная энергия, которая может быть получена в регионе от солнечного излучения в течение одного года при современном уровне развития науки и техники и соблюдении экологических норм.

Технический потенциал солнечной энергии представляет две самостоятельные части: технический потенциал тепловой энергии и технический потенциал электрической энергии, получаемых соответствующим преобразованием солнечного излучения.

Штт, кВт ■ ч/год — технический потенциал тепловой энергии от солнечного излучения;

Штф, кВт' ч/год — технический потенциал электроэнергии от солнечного излучения;

Бс, м2 — площадь, которая по хозяйственным, техническим и экологическим соображениям представляется целесообразной для использования энергии солнечного излучения; она равна части д общей площади Б, остающейся после вычитания площадей лесов, парков, сельскохозяйственных угодий, промышленных и водохозяйственных территорий, жилых медицинских и культурных строений, с учетом возможности расположения панелей фотобатарей и солнечных коллекторов на крышах зданий и сооружений, а также с учетом возможности передачи электрической или тепловой энергии:

В свою очередь, Бс разделяется на две части:

кт — доля площади Бс, целесообразная для установки солнечных тепловых коллекторов;

кф — доля площади Бс, целесообразная для установки солнечных фотоэлектрических батарей:

к +кф=1.

тф

Значения д, кт и кф являются специфическими для каждой зоны. В то же время на основе опыта некоторых промышленно развитых стран можно сделать оценку: д<0,01; на основе существующего соотношения между используемой тепловой энер-

Таблица 1

Среднемноголетний приход солнечной энергии на единицу горизонтальной поверхности в 1-й месяц года

Широта 51° Долгота 92° Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

Е„ кВт-ч/(м2-мес.) 46,05 77,85 129,94 148,11 166,95 160,51 167,39 144,58 113,52 77,94 42,4 33,57

Итого за год Е = 1308,81, кВт ч/(м2 год)

Среднемесячные температуры в светлое время суток [1]

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

-20,1 - 18,0 -11,8 -1,18 8,26 13,3 15,1 12,8 6,06 -1,38 -11,6 - 17,9

Продолжительность солнечного сияния ^ и рабочего времени 1р1; удельные месячные потенциалы тепловой энергии Ш^/Б за 10 часов в сутки

Таблица 3

Параметр I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

1а ,ч/мес. 356 401 467,4 461,2 462 403 345

1р1,ч/мес. 309 295 303 281 289 280 280

Ш„/5т кВт/(м2-мес.) 50,47 66,21 83,96 85,19 94,51 78,13 51,99

Среднемесячные значения рабочей температуры фотопреобразователей Т1 и удельные месячные технические потенциалы электрической энергии Ш^/Бф

Таблица 4

Параметр I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Т., К 253 255 261 272 281 285 288 286 279 272 262 255

Ш^/Бф, кВт-ч/(м2-мес.) 7,06 11,86 19,39 21,26 23,18 21,95 22,63 19,7 15,88 11,19 6,31 5,11

Таблица 5 Месячный приход солнечной энергии Е^ и удельный объем выработки энергии тепловым коллектором Ут на поверхности, наклоненной под углом р=ф-6

Параметр I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Ен1 кВт-ч/(м2-мес.) 50,5 86,4 281,3 209,7 226,6 203,4 206,5 183,8 127,1 87,5 49,8 36,5

V* кВт-ч/(м2-мес.) - - 141,93 98,755 125,16 115,62 120,825 99,62 38,79 - - -

гией и электроэнергией в большинстве регионов России можно указать примерное соотношение: к »0,9; кф*0,1 [2].

2.1. Технический потенциал тепловой энергии от солнечного излучения. При определении приняты следующие значения Т = 60 °С — температура горячей воды, Б (та) = 0,9, риь = 0,005 кВт/(м2 К).

Удельный месячный потенциал тепловой энергии, кВт/(м2 мес.):

Ш^/Б т :

- Е ■ Б

1;„

(та)-(Т-Т01 )сов(ф-5)-—

Е

где (ф — 5) — угол наклона коллектора к Земле; То1 — среднемесячная температура окружающей среды в дневное время (во время работы установок).

Используя значения Е. из табл. 1 и То1 из табл. 2 приведены расчитанные значения Ш^/Б т в табл. 3.

В осенне-зимние месяцы (октябрь — февраль) использование коллекторов с представленными техни-че-скими параметрами для получения горячей воды с Т =60 °С невозможно, т.е., соответственно, Ш .

г ' ' ' тт1

равны нулю.

ШТТ/Б т =^ШТГ1/8 т = 510,47 кВт ч/(м2год).

Итак, технический потенциал тепловой энергии от солнечного излучения равен:

= 510,47 ■ ^ кт Б = 510,47' 0,01 0,95335,4'106 = = 24512,05'106 кВт ч/год.

2.2. Технический потенциал электроэнергии от солнечного излучения. При определении техниче-

ского потенциала электроэнергии были приняты следующие значения [2]:

д = 0,01 — доля общей площади, предназначенная для превращения солнечной энергии в тепловую и электрическую энергию;

кф = 0,1 — доля площади дБс, целесообразная для установки фотоэлектрических батарей.

Технические параметры фотоэлектрических солнечных батарей:

^1 = 0,13 КПД в стандартных условиях; % = 0,004 К-1 — температурный градиент КПД; а = 0,97 — интегральный коэффицент поглощения солнечного излучения фотопреобразователями; <1> = 40 Вт/ (м2 К);

Удельные месячные технические потенциалы электрической энергии Ш^/Бф приведены в табл. 4.

Штф/Б

ф т

./Б Ф =185,52 кВт ч/(м2 год).

Технический потенциал электроэнергии равен: Ш ф=185,52'а'к'8=185,52'0,01' 0,1'5335,4'106 =

тф ф

= 990'106 кВт ч/год.

3. Экономическй потенциал СЭ. Экономический потенциал солнечной энергии региона — это величина годовой выработки тепловой и электрической энергии в регионе от солнечного излучения, получение которой экономически оправданно для региона при существующем уровне цен на оборудование, строительство установок, энергию и топливо с учетом его транспортировки и соблюдения экологических норм.

Экономический потенциал солнечной энергии представляет две самостоятельные части: экономический потенциал тепловой энергии и экономический потенциал электрической энергии, получаемых соответствующим преобразованием солнечного излучения.

3.1. Экономический потенциал тепловой энергии от солнечного излучения. Определение экономического потенциала проводился при условии, что солнечные тепловые коллекторы стационарно ориентированы под углом Р = 37° наклона к горизонту, Тг = 60 °С, Тх= 15 °С, F(ta) = 0,9, FUL = 0,005 кВт/(м2К), стоимость установки с учетом экологического фактора гэC = 400 долл./м2 [2].

Месячный приход солнечной энергии Ен и удельный объем выработки энергии тепловым коллектором Vri на поверхности, наклоненной под углом b = j — 5, рассчитаны и приведены в табл. 5.

В осенне-зимние месяцы (октябрь — февраль) использование коллекторов с представленными техническими параметрами для получения горячей воды с Т =60 ° С невозможно.

г

Суммированием по всем месяцам определено (из табл. 5):

Ен= 1749,1 кВгч/(м2тод), V,r=740,7 кВтч/(м2тод).

Экономический потенциал тепловой энергии при различных сроках службы солнечных тепловых коллекторов расчитаны и приведены в табл. 6 и 7.

Проведенные расчеты показали, что для g = 0,05/ год окупаемости установок нет, а для g = 0 время окупаемости очень большое: 111 лет. Это означает, что отличие экономического потенциала от нуля обусловлено только существованием дефицита тепловой энергии. Поскольку Штт = 510,47'Бт кВтч/год, где S^., м2 — площадь, отводимая под установку тепловых коллекторов, то для реализации представленных в табл. 6 и 7. значений экономического потенциала достаточно отведения площадей в диапазоне 3,99'103 м2<8т<2,87'104 м2 в зависимости от срока службы установок.

3.2. Экономический потенциал электрической энергии от солнечного излучения. При определении экономического потенциала электрической энергии были приняты следующие данные:

— значения параметров солнечных батарей:

a = 0,97; h1 = 0,13; c = 0,004 К-1; Т1 = 298 К; <l> = = 40 Вт/(м2К);

— стоимость установки с учетом экологического фактора:

гэС = 1000 долл./м2 [2].

Месячный приход солнечной энергии Ен и удельный объем выработки энергии фотопреобразователя V^ на поверхности, наклоненной под углом b = j — 5, приведены в табл. 8.

Суммированием по всем месяцам:

Ен= 1749,1 кВгч/(м2тод), = 248,54 кВтч/(м2тод).

Экономический потенциал при различных сроках службы солнечных фотоэлектрических установок приведены в табл. 9 и 10.

Проведенные расчеты показывают, что для g = = 0,02/год окупаемости установок нет, а для g = 0 время окупаемости 68 лет. Это означает, что отличие экономического потенциала от нуля обусловлено только существованием дефицита электроэнергии. Поскольку W,= 185,52 S ф кВтч/год, где S ф, м2 — пло-

щадь, отводимая под установку фотоэлектрических установок, то для реализации представленных в табл. 9 и 10 значений экономического потенциала достаточно отведения площадей в диапазоне 4,3'103 м2<8ф<15,8'103м2 в зависимости от срока службы установок.

Сравнением значений экономического потенциала по представленным двум вариантам выбирается наибольшее значение, которое принимается как экономический потенциал электроэнергии от солнечного излучения. Экономический потенциал солнечной энергии получаем в виде двух величин:

=14641,74 тыс. кВтч/год, Шэф = 2928,42 тыс. кВтч/год.

Таблица 6

Критические значения удельной энергии

солнечного теплового коллектора Укр и величины экономического потенциала тепловой энергии Шэт при различных сроках службы коллекторов Тсл, у = 0,05/год; Ток — нет (срок окупаемости); Тэ2 = 3,94

Тсл, год V.P, кВт-ч/(м2-год) тыс. кВт-ч/год

3,94 24875,48 2034,33

4 24563,76 2060,95

5 20469,8 2488,62

6 17740,49 2888,16

7 15790,99 3262,27

8 14328,86 3613,3

9 13191,65 3943,33

10 12281,88 4254,17

12 10917,23 4824,65

14 9942,47 5335,73

16 9211,41 5796,23

18 8642,8 6213,3

20 8187,92 6592,82

¥ 4094 14641,74

Таблица 7

Критические значения удельной энергии

солнечного теплового коллектора VRp и величины экономического потенциала тепловой энергии Шэт при различных сроках службы коллекторов Тсл, g = 0; Ток — 111 лет; Тэ2 = 3,3

Тсл, год V^, кВт-ч/(м2-год) тыс. кВт-ч/год

3,3 24811,88 2031,05

4 20469,8 2477,99

5 16375,84 3126,71

6 13646,53 3787,78

7 11697,03 4461,57

8 10234,9 5148,44

9 9097,69 5848,78

10 8187,92 6562,98

12 6823,27 8034,68

14 5848,51 9567,07

16 5117,45 11163,98

18 4548,84 12829,58

20 4093,96 14568,38

Месячный приход солнечной энергии Ен и удельный объем выработки энергии фотопреобразователя Ут на поверхности, наклоненной под углом р=ф-6

Параметр I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Ен1, кВт-ч/(м2-мес.) 50,5 86,4 281,3 209,7 226,6 203,4 206,5 183,8 127,1 87,5 49,8 36,5

Уф., кВт-ч/(м2-мес.) 7,75 13,16 41,98 30,1 31,46 27,82 27,92 25,04 17,78 12,56 7,41 5,56

Критические значения удельной энергии солнечной батареи Укр и величина экономического потенциала электрической энергии Шэф при различных значениях срока службы батареи Тсл; у=0,02/год; Ток — нет; Тэ2=15

Таблица 9

Тсл, год 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

^р, кВт-ч/(м2-год) 2033,3 1750,93 1549,21 1397,92 1280,25 1186,11 1109,09 1044,91 990,6 944,05 903,7

Шэф, тыс. кВт-ч/год 0 0 0 805,8 897,7 987,84 1076,25 1162,99 1248,11 1331,64 1413,66

Таблица 10

Критические значения удельной энергии солнечной батареи Укр и величина экономического потенциала электрической энергии Шэф при различных значениях срока службы батареи Тсл; у=0/год; Ток= 68 лет; Тэ2=12,3

Тсл, год 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

^р, кВт-ч/(м2-год) 1694 1412 1210 1059 941,36 847,22 770,2 706,0 651,71 605,16 564,81

Шэф, тыс. кВт-ч/год 0 0 962,9 1143 1336,8 1547,0 1775,4 2024,0 2297,2 2597,0 2928,4

Таким образом перед нами открываются большие возможности для использования солнечной энергии. Суммарная солнечная радиация в нашем случае 1309 кВтч/м2 — почти такая же, как в г. Сочи, — 1400 кВт ч/м2 [3]. Но какие бы расчеты и открытия ни совершались, население не будет использовать это. Надо на государственном уровне проводить пропаганду среди населения выгоды использования солнечной энергии. Публиковать хотя бы простейшие проекты в самых читаемых газетах, например, солнечного дома, чтобы люди при строительстве жилья начали учитывать возможности ипользования солнечной энергии. Меньше угля будем сжигать, сократится вырубка лесов. Используя энергию Солнца, мы не только себе делаем хорошо, но и всей окружающей среде.

Библиографический список

1. Сайт Тиуа-ше1ео. - Режим доступа : www.tuva-meteo.ru (дата обращения: 23.05.2013).

2. Безруких, П. П. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии / П. П. Безруких, Д. С. Стребков. -М. : ГНУ ВИЭСХ, 2005. - 264 с.

3. Электронная библиотека по энергетике [Электронный ресурс]. - Режим обращения : http://lib.rosenergoservis.ru/ 2011-07-20-04-56-55.Ыш^;аг; = 2 (дата обращения: 01.02.2015).

ОНДАР Демир-оол Дмитриевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: ondardd@mail.ru

Статья поступила в редакцию 05.02.2015 г. © Д. Д. Ондар

Книжная полка

Кузнецов, Е. М. Силовая электроника. Мощные полупроводниковые приборы. Вентильные преобразователи электроэнергии : учеб. пособие для вузов по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника», модуль «Электротехника»/ Е. М. Кузнецов, О. А. Лысенко. -Омск : ОмГТУ, 2015. - 106 с.

Приведены описания, параметры и характеристики мощных ключевых полупроводниковых приборов и режимы работы силовых ключей. Рассмотрены преобразователи переменного напряжения в постоянное и их схемная реализация. Представлены виртуальные лабораторные работы, охватывающие основные разделы дисциплины «Силовая электроника». Лабораторные работы подготовлены в системе схемотехнического проектирования М^^ш. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника».