CC BY
14
УДК 620.91
Шуклина В.П., Шуклина А.П., Ермоленко Б.В.
ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ, ТОПЛИВНОГО, ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО, ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО, РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО, ЭКОЛОГИЧЕСКОГО И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Шуклина Валерия Петровна, студент 2 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии, email: shuclina.valerya@yandex. ru
Шуклина Анастасия Петровна, студент 2 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Разработана структура информационно-вычислительной системы (ИВС) и алгоритмы оценки топливного, электроэнергетического, теплоэнергетического, ресурсосберегающего, экологического и эколого-экономического потенциалов солнечной энергии. Проведены расчёты потенциалов замещения газообразного, жидкого и твёрдого углеводородного топлива энергией солнца на всей территории Российской Федерации с шагом 1 градус по широте и долготе. Информационно-вычислительная система реализована на базе электронных таблиц ExœL
Ключевые слова: информационно-вычислительная система, солнечная энергетика, потенциал, топливный, электроэнергетический, теплоэнергетический, ресурсосберегающий, экологический, эколого-экономический
INFORMATION AND COMPUTING SYSTEM FOR EVALUATION THE FUEL, ELECTRIC POWER, HEAT POWER, RESOURCE-SAVING, ECOLOGICAL AND ECOLOGICAL- ECONOMIC POTENTIALS OF SOLAR ENERGY
Shuklina V.P., Shuklina A.P., Ermolenko B.V
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The structure of the information and computing system (ICS) and algorithms for evaluating the fuel, electricity, heat, resource-saving, environmental and eco-economic potentials of solar energy were developed. Calculations of the potentials for replacing gaseous, liquid and solid hydrocarbon fuels with solar energy throughout the Russian Federation with a step of 1 degree in latitude and longitude were performed. The information and computing system is implemented on the basis of Excel spreadsheets.
Keywords: information and computing system, solar power, potential, fuel, electric power, heat power, resource saving, ecological, economic, ecological and economic
В соответствии с энергетической стратегией Российской Федерации, необходимо максимально эффективно использовать природные энергоресурсы и потенциал энергосектора в целях устойчивого развития экономики, улучшения уровня жизни населения страны и содействия укреплению её внешних экономических связей.
Одним из основных стратегических ориентиров энергополитики является безопасность энергетики для окружающей среды. Экологическая безопасность может быть достигнута в результате постепенного снижения нагрузки ТЭК на окружающую среду и климат путём сокращения выбросов (сбросов) загрязняющих веществ в природную среду и эмиссии парниковых газов. Для реализации экологической безопасности
функционирования энергосектора требуется внедрение и увеличение использования экологически чистых энергетически эффективных и ресурсосберегающих технологий на основе ВИЭ.
Среди ВИЭ лидирующее положение занимает солнечная энергетика. Солнце -неиссякаемый, экологически чистый и дешёвый энергоисточник. По оценкам специалистов,
количество энергии солнца, поступающей на земную поверхность в течение порядка семи дней, превосходит энергию общемировых запасов газа, нефти, угля и урана. По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал энергии солнца в стране оценивается в 2300 миллиард т.у.т., а натуральная оценка ресурсосбережения в 12,5 миллион т.у.т. Количество энергии солнца, достигающей земной поверхности Российской Федерации в течение трёх дней, превосходит энергию всей годовой выработки электрической энергии в России.
При разработке региональных программ развития возобновляемой энергетики на основе энергии солнца, в первую очередь, необходима информация о величине электроэнергетического потенциала энергии солнца в конкретной точке рассматриваемой территориально-административной единицы. Данная информация позволит провести оценку топливного, теплоэнергетического, ресурсосберегающего и экологического потенциалов солнечной энергии, то есть провести эколого-экономическое обоснование эффективности применения солнечной энергетики на территории
Российской Федерации с целью привлечения средств инвестора. В связи с необходимостью в формировании информационной базы была разр аботана информационно -вычислительная
система (ИВС) для расчёта перечисленных выше потенциалов.
Первым и самым важным этапом при определении электроэнергетического потенциала является оценка солнечных энергетических ресурсов. Поскольку, лишь точная оценка доступного ресурса даёт принять правильное техническое или экономическое решение. Одним из простых и легкодоступных способов получения данных о размере валового ресурса солнечной энергии являются данные о распределении ресурсов
солнечной энергии базы данных ведомства NASA. Данная база создавалась на основе спутниковых измерений радиационного баланса поверхности Земли. По их результатам с применением различного рода моделей распределения солнечного излучения в атмосфере и с учётом характера отражения излучения от поверхности Земли, уровня облачности, загрязнения атмосферы взвешенными частицами и прочих факторов определены значения месячных сумм солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность для сетки 1°*1°, покрывающей весь земной шар, в т.ч. и территорию России [1, 2]. Карта соответствующих среднегодовых значений солнечной радиации представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт-ч/(м2-день).
Применение математических моделей дало возможность оценить уровень солнечной радиации не только на горизонтальную, но и на вертикальную поверхность, а также на плоскости с углами наклона равными широте данной местности, на 15 градусов меньшими и большими широты, на оптимально ориентированную плоскость и плоскость, следящую за солнцем (кВт-ч/(м2-день).
Оценка валового природного
энергетического ресурса солнечной энергии на территории Российской Федерации. Для того, чтобы определить энергетический ресурс солнечной энергии, необходимо оценить среднее количество солнечной радиации солн'радв кВт-ч, падающей на 1 квадратный метр территории в течение года. Владея этой информацией, легко перейти к оценке валового природного электроэнергетического ресурса солнечной энергии, измеряемого в млн. кВт-ч/год. В нашем случае необходимо провести оценку валового природного энергетического ресурса солнечной энергии в конкретной точке рассматриваемой территориально-административной единицы,
поэтому валовый природный электроэнергетический ресурс принимается равным годовой сумме солнечного излучения:
УУ вал.эл' рес. _ солн.рад. солн' ] ]
Учитывая, что коэффициент перевода 1 кВт-час энергии в Гкал равняется кэл'"те™'=0,0008598
Гкал/кВт-час, можно легко перейти от валового электроэнергетического ресурса к валовому природному теплоэнергетическому ресурсу по формуле (1):
У валтепл' рес. _ ^эл. - тепл. у ваязл. рес. (1) солн] солн.]
Переход от электроэнергетического ресурса к топливному электроэнергетическому
осуществляется с использованием коэффициента перерасчета электроэнергии в тонны условного топлива кэл'-тут'=0,3445 т.у.т./тыс.кВт-час по угольному эквиваленту, необходимые для производства электрической энергии на тепловых электрических станциях, (млн. т.у.т./год) по формуле (2):
Мвал.топл.эл.рес. _ ^эл' ~ тут у вал.эл. рес. (2) солн.] солн.]
Размеры топливного природного
теплоэнергетического ресурса оцениваются с использованием коэффициент перерасчета тепловой
ктепл'-тут. а 1 лог
=0,1486
т.у.т./Гкал по формуле (3):
Мвал.топл.тепл.рес. _ ^топл. - тут у вал.тепл.рес. (3) солн.] солн.]
Оценка валового технического энергетического потенциала солнечной энергии на территории Российской Федерации. При
разработке программ развития возобновляемой энергетики важно иметь информацию о величине
валового технического потенциала солнечной энергии на территории Российской Федерации. Валовый технический потенциал солнечной энергии - это часть валового электроэнергетического или теплоэнергетического ресурса солнечной энергии, определяемая исходя из существующих технических возможностей преобразования энергии солнца в электрическую или тепловую энергию с учетом размеров пригодной для этих целей территории. Технические возможности преобразователя энергии характеризуются их коэффициентами полезного действия.
При оценке валового технического потенциала солнечной электроэнергетики (электроэнергетического потенциала)
используются показатели существующих в настоящее время (уровень 2019 года) фотоэлектрических элементов на кремниевой основе, обеспечивающих КПДф-эл преобразования энергии первичного источника около 20 % (монокристаллические); около 15 % (поликристаллические) и около 9 % (аморфные) и бескремниевые - около 30 %.
Оценка валового технического потенциала
солнечной теплоэнергетики базируется на
среднемировых значениях КПДтепл преобразователей
энергии солнца в тепловую энергию, т.е. на средних
значениях КПД солнечных коллекторов. С учетом
технического уровня современных солнечных
коллекторов (уровень 2019 года) среднее значение
коэффициента полезного действия преобразователей
солнечной энергии в тепловую энергию КПДтепл
составляет 80 %. В этом случае валовый
технический электроэнергетический потенциал
солнечного излучения может быть оценен по
формуле (4):
„,вал.тех.эл.пот. Т,„„ „.вал.эл. рес. (4) V . = КПД, • V ^ '
солн.] ф ". солн.]
валовый теплоэнергетический потенциал по
формуле (5):
„гвал.шех.шепл.пот. ТГТТТТ „,вал.шепл. рес. (5) V = КПДтепл V . у
солн. ] тенш солн. ]
Валовый топливный технический
энергетический потенциал оценивается раздельно для получения электрической и тепловой энергии аналогично соответствующему валовому
природному ресурсу:
валовый технический топливный электроэнергетический потенциал определяется по формуле (6):
Мвалтехтопл.эл.пот. = ю~з ^эл. - тут Vвал.тех.эл.пот. (6) солн.] солн.]
валовый технический топливный
теплоэнергетический потенциал определяется по формуле (7):
М вал.техтоплтепл. пот. = ю-з ^эл. - тут V вал.техтепл. пот. солн.]' солн.]'
(7)
Для обоснования эффективности
инвестирования средств в развитие солнечной энергетики необходимо оценить и потенциал
ресурсосбережения. Он характеризует в натуральном выражении (т/год, 1000 м3/год) количество природного газа, топочного мазута, каменного или бурого угля, которое пришлось бы использовать на тепловых электрических станциях при получении энергии в количестве, соответствующем энергетическому потенциалу энергии солнца в месте размещения солнечной энергоустановки. Помимо натуральной оценки ресурсосбережения проводится и стоимостная оценка (руб./год), которая показывает количество сэкономленного топлива в результате использования энергии солнца.
На основе информации о количестве потребляемого углеводородного топлива в количестве соответствующем энергетическому потенциалу энергии солнца, проводится оценка экологического потенциала. Он характеризует величину предотвращаемых выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух (т/год) в результате использования энергии солнца для получения тепловой и электрической энергии вместо ископаемых видов топлива. Кроме этого проводится оценка предотвращенных выбросов в атмосферу в тоннах условного загрязняющего вещества - в тоннах СО-эквивалента и тоннах СО2-эквивалента.
Заключительным этапом при разработке информационно-вычислительной системы является оценка эколого-экономического потенциала, выраженного в стоимостной форме (руб./год), соответствующего величине предотвращенного эколого-экономического ущерба от загрязнения атмосферы в результате использования энергии солнца вместо природного газа, топочного мазута, каменного или бурого угля [1].
Разработанная информационно-
вычислительная система для расчёта топливного, электроэнергетического, теплоэнергетического, ресурсосберегающего, экологического и эколого-экономического потенциалов замещения
газообразного, жидкого и твёрдого углеводородного топлива энергией солнца на всей территории Российской Федерации с шагом 1 градус по широте и долготе реализована на базе электронных таблиц Excel. Информационно-вычислительная система может быть использована при разработке программ развития региональной энергетики на базе ВИЭ и эколого-экономического обоснования принимаемых инвестиционных решений.
Список литературы
1. Ermolenko Boris V., Ermolenko Georgy V., Fetisova Yulia A., Proskuryakova Liliana N. Wind аnd solar PV technical potentials: Measurement methodology and assessments for Russia. Energy, Pergamon Press Ltd. (United Kingdom), том 137, № 10, С. 1001-10122.
2. NASA [Электронный ресурс]. - URL: https://power.larc.nasa.gov/.
