ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЙОНОВ ДЛЯ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РЕСПУБЛИКЕ КАЗАХСТАН Текст научной статьи по специальности «Социальная и экономическая география»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология № 4 2017

УДК 551.582.3

H.H. Абаев 1

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЙОНОВ ДЛЯ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РЕСПУБЛИКЕ КАЗАХСТАН

Ключевые слова: суммарная солнечная радиация, прямая солнечная радиация, теоретический потенциал, географический потенциал

В статье на основе Атласа солнечных ресурсов Республики Казахстан приведены результаты работ по идентификации перспективных районов развития солнечной энергетики. Идентификация перспективных районов основывалась на методике разработанной и используемой крупными международными лабораториями в области возобновляемой энергетики NREL и IRENA. В статье были определены теоретический и географический потенциал солнечных ресурсов Казахстана. Ранжирование территории показало, что целесообразно использовать солнечную радиацию как альтернативный источник энергии для развития солнечных электростанций.

В настоящее время в нашей Республике отсутствует приемлемая для практических целей оценка потенциала солнечной энергии, результаты которой могут быть использованы при разработке предложений по внесению изменений в средне- и долгосрочные планы территориального развития до 2030 г. перспективных регионов для развития солнечной энергетики регионов / областей PK. Оценка этого потенциала в дальнейшем может быть основой для привлечения инвестиций в регионы PK, имеющие высокий природный солнечный потенциал.

Целью данной работы является выполнить идентификацию перспективных регионов, на основе разработанного компанией «Sapa Pro&Tech» Атласа солнечных ресурсов Республики Казахстан.

Для оценки возобновляемых источников энергии используют различные данные, методологии и граничные условия, что затрудняет их сравнение. Эта проблема и другие общие проблемы, связанные с оценкой региональных различий (учет географических особенностей) на современном этапе решаются с помощью глобальных и региональных наборов Гео-

1 Научно-исследовательский центр, РГП «Казгидромет», г. Алматы, Казахстан 44

информационных (ГИС) данных и карт, которые являются полезным инструментом для анализа распределения ресурсов.

Исходный материал и методы исследования. Основой для анализа природного потенциала явился Атлас солнечных ресурсов Республики Казахстан, разработанный компанией «Sapa Pro&Tech» в рамках Проекта Министерства энергетики Республики Казахстан и Программы развития ООН «Оказание поддержки Правительству Республики Казахстан в реализации Концепции перехода к зеленой экономике и институционали-зации Программы Партнерства «Зеленый Мост»».

При разработке интерактивного атласа солнечных ресурсов РК, одной из рекомендованных баз, опубликованной в открытом доступе только в июне 2016 г., явилась климатическая база данных SARAH-E. (Surface Solar Radiation Data Set - Heliosat, East). База была сформирована при тесном сотрудничестве Европейского космического агентства (EUMETSAT CM SAF) и Объединённого исследовательского центра Европейской комиссии (г. Испра, Италия). SARAH-E основана на базе данных спутников METEOSAT EAST. Климатическая база данных SARAH-E предоставляет интерес, так как содержит данные за последние десятилетия и покрывает всю территорию Казахстана.

Данная база была использована как для изучения ресурсного (теоретического) потенциала территории Казахстана, так и для оценки географического потенциала возобновляемых источников энергии, применяя подход ГИС, а также составления карт пригодности территории для размещения крупных солнечных электростанции (СЭС).

Районирование территории по обеспеченности солнечными энергетическими ресурсами было основано на выборе показателей, которые отражали бы средний многолетний режим солнечной радиации.

В качестве основных показателей гелиоресурсов были выбраны суммарная радиация и годовая сумма прямой радиации, поступающей на перпендикулярную поверхность, которые широко используются для оценки работы солнечных тепловых коллекторов и фотоэлектрических станций.

Результаты и обсуяедение. При изучении потенциала источников возобновляемой энергии, рассматриваются различные «категории потенциалов»: теоретический, географический, технический и экономический [2]. При идентификации перспективных районов РК для развития солнечной энергетики были рассмотрены первые две категории.

Оценку солнечного потенциала на основе теоретического и географического потенциала можно представить в виде блок-схемы (рис. 1).

ОЦЕНКА СОЛНЕЧНОГО ПОТЕНЦИАЛА ТЕРРИТОРИИ

ОЦЕНКА ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА

Анализ приходящей солнечной радиации

г

Карта распределения солнечной радиации

Карта потенциала солнечной радиации

Оценка географического потенциала

Выявление природных факторов лимитирующих использование теоретического потенциала

Картирование природных факторов лимитирующих использование теоретического потенциала

/■-

КАРТЫ НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЙОНОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Рис. 1. Блок-схема оценки теоретического и географического потенциала

территории.

Теоретический потенциал описывает объем доступного ресурса без учета эффективности и потерь. Он равен максимальному количеству энергии, которая физически доступна из определенного источника.

На основании методик IRENA, NREL был определен класс пригодности территории для PV-систем и CSP-систем (табл. 1) [2, 3].

Для развития солнечной энергетики и размещения крупных солнечных электростанций (PV-систем), необходимы данные о суммарной солнечной радиации, падающей на оцениваемую поверхность (GHI).

Для концентрированных солнечных электростанций (CSP-систем), используется прямая солнечная радиация (DNI). Чтобы сосредоточить большую площадь солнечных лучей, или солнечной тепловой энергии, на небольшой площади - используются зеркала или линзы.

Используя вышеуказанные методики и параметры была проведена идентификация территории Республики Казахстан для развития солнечной энергетики в целом.

С целью анализа теоретического потенциала в программе ArcGIS, на основе климатической базы данных SARAH-E были построены карты 46

годового распределения суммарной и прямой радиации при средних условиях облачности для территории Казахстана (рис. 2, 3).

Таблица 1

Класс пригодности территории по теоретическому потенциалу солнечной радиации [2]

Значение

радиации, кВт-ч/м2 Класс пригодности Характеристика

Суммарная солнечная радиация

> 1500 Наиболее пригодный Обеспечивают стабильную экс-

1001... 1500 Пригодный плуатацию гелиосистем Удовлетворяет требованиям эксплуатации малых и средних гелиосистем

< 1000 Малопригодный Условия неблагоприятны для использования крупных и средних гелиосистем

Прямая солнечная радиация

>2000 Наиболее пригодный Обеспечивают стабильную экс-

1801...2000 Пригодный плуатацию гелиосистем. Удовлетворяет требованиям эксплуатации малых и средних гелиосистем.

< 1800 Малопригодный Условия неблагоприятны для использования крупных и средних гелиосистем

Потенциальный приход солнечной радиации на земную поверхность определяется географической широтой места. Можно видеть, что по мере продвижения с севера на юг происходит существенное возрастание солнечной радиации. Эта величина изменяется в полтора раза, причем к югу ее возрастание становится более интенсивным. Самые высокие значения суммарной солнечной радиации, наблюдаемые на крайнем юге, превышают 1600 кВтч/м2-год (рис. 2).

На рис. 3 приведено распределение годовых сумм прямой солнечной радиации, поступающей на единицу поверхности. Следует отметить, что и на севере и в центральной части республики суммы прямой радиации значительны и составляют 800... 1200кВтч/м2-год. Наибольшее количество прямой солнечной энергии наблюдается на юге республики. По приведенной выше классификации, вся территория Казахстана по теоретическому потенциалу пригодна для развития солнечной энергетики и крупных гелиосистем, а наиболее пригодными являются районы южнее

48° с.ш. Для концентрированных солнечных электростанций (СБР) территория классифицируется как малопригодная и пригодная. Пригодными территориями являются Кызылординская, Жамбылская, Южно-Казахстанская и юго-восточная часть Алматинской области.

Потенциал солнечной радиации, кВтч/м2

< 1000 малопригодный

'001 - 1500 пригодный • 1501 наиболее пригодный

Годовые суммы суммарной солнечной радиации при средних условиях облачности, кВтч/м2

900-1000 1101-1200 _| 1301-1400 1501-1600 д в75175 350 525 /00

1001-1100 | | 1201-1300 1401-1500 1601 -1700

Рис. 2. Карта теоретического потенциала суммарной солнечной радиации Республики Казахстан.

Потенциал солнечной радиации, кВтч/м2

< 1800 малопригодный

¡vx;.;;1801 - 2000 пригодный

Годовые суммы прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность при средних условиях облачности, кВтч/м2

628-800 i i 1001 -1200 ни 1401 -1600 1601 -2000 0 67s175 350 525 700

601-1000 ] 1201 -1400 ^^^ 1601 -1800

Рис. 3. Карта теоретического потенциала прямой солнечной радиации

Республики Казахстан.

Географический потенциал можно рассматривать как промежуточный шаг к расчету технического потенциала возобновляемых источников энергии. Географический потенциал учитывает области, которые яв-

ляются подходящими и пригодными для использования в конкретных областях возобновляемой энергии. В зависимости от природно-географических ресурсов, на основании вышеуказанной методики БШМА, были составлены карты географического потенциала территории Казахстана (рис. 4, 5), где были исключены следующие факторы: все наклонные участки со склонами, превышающими 10°, водные объекты, особо охраняемых территории (ООПТ), сельскохозяйственные земли.

Потенциал солнечной радиации, кВтч/м2

< юоо малопригодный

^'//у/, i 1001 • 1500 пригодный

> 1501 наиболее пригодный

Годовые суммы суммарной солнечной радиации при средних условиях облачности, кВтч/м2

Рис. 4. Карта географического потенциала суммарной солнечной радиации Республики Казахстан.

Потенциал солнечной радиации, кВтч/м2

/у/ < 1800 малопригодный

1801 • 2000 пригодный

Годовые суммы прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность при средних условиях облачности, кВтч/м2

628 - 800 _| 1001 - 1200 |_] 1401 - 1600 ^^^ 1801 - 2000

801 -1000 i 1201 • 1400 1601 ■ 1800

о 75 150 300 450

Рис. 5. Карта географического потенциала прямой солнечной радиации

Республики Казахстан.

Республика Казахстан характеризуется невысокими темпами внедрения альтернативных источников энергии, но в последние годы можно наблюдать растущий интерес отдельных регионов, особенно южных, к развитию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Однако, для развития солнечной энергетики и оценки её доступного потенциала, для практических целей и разработки предложений по внесению изменений в средне- и долгосрочные планы территориального развития регионов, необходимо реально оценить площади перспективных районов.

В работе на основе теоретического и географического потенциала, были рассчитаны площади малопригодных, пригодных и наиболее пригодных территорий для развития солнечной энергетики (табл. 2).

Выводы:

1. Распределение потенциальных гелиоэнергетических ресурсов на территории Республики Казахстан носит в целом зональный характер, что связано с радиационными и циркуляционными процессами;

2. На основании методик IRENA, NREL определен класс пригодности территории Республики Казахстан для развития солнечной энергетики (PV-систем) и концентрированных солнечных электростанций (CSP-систем);

3. Составлены карты теоретического и географического потенциала и определены площади по классу пригодности;

4. Получено, что по теоретическому потенциалу для развития солнечной энергетики и крупных гелиосистем, вся территория Республики классифицируется как пригодная и наиболее пригодная;

5. Для концентрированных солнечных электростанций - как малопригодная и пригодная. Пригодными территориями являются Кызы-лординская, Жамбылская, Южно-Казахстанская и юго-восточная часть Алматинской области;

6. По оцененному географическому потенциалу, рассчитаны площади пригодных и наиболее пригодных территорий для развития солнечной энергетики;

7. Ранжирование территории Республики Казахстан по приоритету потенциала солнечной радиации (по обеспеченности гелиоресур-сами) показало, что целесообразно использовать солнечную радиацию как альтернативный источник энергии для развития солнечных электростанций и для дополнительного источника энергии населению.

Таблица 2

Идентификация площадей территории PK в соответствии с классом пригодности для солнечных электростанций (PV) и концентрированных солнечных электростанций (CSP)

Область

Я

о

а

ю О

Я"

№ № и № 2

и

S

U

Я №

I' &

О

ДляРУ

и

Я

5

о

Ьч

К

6

U

о

ч о ю

о и

Н &

Для CSP

и Я и

!•

&

о

и

Я

S

о

Ьн

5

6

U

U Ц

о ю

о

Ii

5

6

Акмолинская 146219 89163,0 0 57056 0 57056 0,0

Актюбинская 300629 43089,2 0 257537,9 1,9 257539,8 0,0

Алматинская 223911 103222,9 1Д 55335,1 65352,1 114637,5 6050,6

Атырауская 118631 9664,6 0 107171,3 1795,1 108966,4 0,0

Восточно-Казахстанская 283226 82690,9 0 200525,4 9,7 200535,1 0,0

Жамбылская 144264 70808,4 0 3931,4 69524,3 65678 7777,7

Западно-Казахстанская 151339 25471,9 0 125867,1 0 125867,1 0,0

Карагандинская 427982 34163,6 0 345364,0 48454,4 390813,8 3004,6

Костанайская 196001 87105,8 0 108895,2 0 108895,2 0,0

Кызьшординская 226019 20659,0 0 20862,4 184497,6 64638,1 140721,9

Мангистауская 165642 20669,1 0 23822,5 121150,5 144960,6 12,4

Павлодарская 124755 60533,6 0 64221,4 0 64221,4 0,0

Северо-Казахстанская 97993 75441,9 0 22551,1 0 22551,1 0,0

Южно-Казахстанская 117249 84339,4 0 279,4 32630,2 5456,4 27453,2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атлас солнечных ресурсов Республики Казахстан [Электрон, ресурс]. 2017 - URL: http://atlassolar.kz/ (дата обращения 7.12.2017)

2. Hermann S., Miketa A., Fichaux N. Estimating the Renewable Energy Potential in Africa A GIS-based approach, IRENA-KTH working paper - International Renewable Energy Agency. - Abu Dhabi: 2014. - 74 p.

3. Lopez A., Roberts В., Heimiller D., Blair N., Porro G. Renewable Energy Technical Potentials: A GIS-Based Analysis, Technical Report, National Renewable Energy Laboratory /ТР-6А20-51946 - Colorado: 2012. - 40 p.

Поступила 22.12.2017

H.H. Абаев

КАЗАХСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНДА KYH ЭНЕРГЕТИКАСЫН ДАМЫТУГА КОЛАЙЛЫ АУДАНДАРДЫ АНЬЩТАУ

Tyitrndi свздер: жалпы кун радиациясы, тжелей кун радиациясы, теорияльщ элеует, географияльщ элеует

Мацалада Крзацстан Республикасыныц кун ресурстарыныц Атласы нег1зтде К,Р аумагында кун энергетикасын дамытуга цолайлы аудандарды аныцтау бойыниш журггзглген жумыстардыц нэтижелер1 келтгршген. К,олайлы аудандарды аныцтау жанданатын энергетика саласында жумыс атцаратын халъщаралыц ipi NREL ОЮдНв IRENA мекемелертде дайындалып, пайдаланылатын зЫстемелер бойынша журггзыдг. Мацалада Цазацстан Республикасыныц кун ресурстарыныц теоретикалыц географиялыц потенциалы аныцталган. Аймацтыц рейтингШ кун электр станцияларын дамыту уиин баламалы энергия квз1 peminde кун радиациясын пайдалану усынылганын Kepcemmi.

Abayev N.N.

THE IDENTIFICATION OF PROMISING AREAS FOR THE DEVELOPMENT OF SOLAR ENERGY IN THE REPUBLIC OF

KAZAKHSTAN

Key words: total solar radiation, direct solar radiation, theoretical potential, geographical potential

In the article, based on the Atlas of Solar Resources of the Republic of Kazakhstan, promising areas for the development of solar energy in the Republic of Kazakhstan are presented. The identification of promising areas was based on the methodology developed and used by major international

laboratories in the field of renewable energy NREL and IRENA. The theoretical and geographical potential of solar resources of the Republic of Kazakhstan was determined in the article. The ranking of the territory showed that it is advisable to use solar radiation as an alternative source of energy for the development of solar power plants.