CC BY
0
Научная статья/Original article
УДК 621.31 Код ВАК: 4.3.2
DOI: 10.24411/2078-1318-2024-3-137-145
ОЦЕНКА РЕСУРСА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ТЕРРИТОРИИ ОБЪЕКТА
АПК
Ю.В. Даус1 И, И.В. Юдаев1
кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина
г. Краснодар, Россия И [email protected]
Реферат. Уточнение потенциала солнечной энергии с учетом ландшафтных и строительных особенностей выделенных или свободных территорий для размещения фотоэлектрических батарей имеет решающее значение для определения того, где инвестиции в солнечную фотоэлектрическую энергетику будут наиболее выгодны потребителю. При этом следует учитывать целый ряд факторов: пространственную ориентацию ограждающих конструкций зданий, их режим инсоляции и т. д. Чаще всего физическая оценка включает обработку спутниковых изображений с использованием инструментов ГИС для создания и анализа карт солнечного облучения, что не подходит для малых территорий. Таким образом, актуальным является уточнение ресурса солнечной энергии для территории сельскохозяйственного предприятия. Цель исследования - проанализировать ресурс солнечной энергии территории сельскохозяйственного предприятия с учетом её строительных и ландшафтных особенностей. Объект исследования - действующее перерабатывающее сельскохозяйственное предприятие Ростовской области. Использован программный комплекс оценки ресурса солнечной энергии в заданной географической точке. Валовый потенциал солнечной энергии для южных регионов Российской Федерации составляет примерно 1250 кВт ч/м2 год; если оптимально ориентировать приемную поверхность модулей фотоэлектрической батареи в пространстве, то поток солнечного излучения за год на его поверхности может достигнуть 1400 кВт ч/м2 год. Но в условиях ландшафтных и строительных особенностей территории объекта АПК эта величина может существенно снижаться - как относительно площади территории потребителя, так и относительно площади занимаемых фотоэлектрической батареей участков: до 1-2% и 40-45% соответственно. При этом учет всех ограничений на размещение фотоэлектрических батарей позволяет обеспечить на поверхности каждого устанавливаемого модуля поток солнечного излучения, близкий к максимально возможному значению (94-97%).
Ключевые слова: ресурс солнечной энергии, валовый потенциал, условия освещенности, пространственная ориентация
Для цитирования: Даус, Ю.В., Юдаев, И.В. Оценка ресурса солнечной энергии территории объекта АПК // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -2024. -№ 3 (77). - С. 137-145. - DOI: 10.24411/2078-1318-2024-3-137-145.
© Даус Ю.В., Юдаев ИВ., 2024
SOLAR ENERGY RESOURCE ASSESSMENT OF THE AGRICULTURAL INDUSTRIAL COMPLEX ENTERPRISE TERRITORY
Y.V. Daus1 0,1.V. Yudaev1
'Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin Krasnodar, Russia И [email protected]
Abstract. Clarifying the solar energy potential given the landscape and building characteristics of designated or vacant areas for PV deployment is critical to determining where solar PV investments will be most beneficial to the consumer. In this case, a number of factors must be taken into account: the spatial orientation of the building envelopes, their insolation conditions, etc. Most often, physical assessment involves processing satellite images using GIS tools to create and analyze solar irradiation maps, which is not suitable for small areas. Thus, it is relevant to clarify the solar energy resource for the territory of an agricultural enterprise. The purpose of the study is to analyze the solar energy resource of the territory of an agricultural enterprise, taking into account its construction and landscape features. The object of the study is an operating agricultural processing enterprise in the Rostov Region. A software package for assessing the solar energy resource at a given geographical point was used. The gross potential of solar energy for the southern regions of the Russian Federation is approximately 1250 kWh/m2 year; if the receiving surface of photovoltaic battery modules is optimally oriented in space, then the flux of solar radiation per year on its surface can reach 1400 kWh/m2 year. However, under the conditions of landscape and construction features of the territory of the agricultural complex, this value can decrease significantly both relative to the area of the consumer's territory and relative to the area of the areas occupied by the photovoltaic battery: up to 1-2% and 40-45%, respectively. At the same time, taking into account all restrictions on the placement of photovoltaic batteries makes it possible to ensure on the surface of each installed module a solar radiation flux close to its maximum possible value (94-97%).
Keywords: solar energy resource, gross potential, lighting conditions, spatial orientation
For citation: Daus, Yu.V. and Yudaev, I.V. (2024) 'Solar energy resource assessment of the agricultural industrial complex enterprise territory', Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 77, no. 3 pp. 137-145. (InRuss.) DOI: 10.24411/2078-1318-2024-3-137-145.
Введение. Интенсивное развитие производства сельскохозяйственной продукции, как и других видов продукции, привело к постоянному росту потребления энергии и стало общепризнанной проблемой во всем мире [1].
Поиск и разработка локальных источников энергии для устойчивого развития регионов являются серьезной проблемой для многих стран. Фотоэлектрическая технология производства электрической энергии может стать основой для декарбонизации строительного сектора, снижения энергетической зависимости от ископаемого топлива и предоставления финансовых выгод потребителям. Уточнение потенциала солнечной энергии с учетом ландшафтных и строительных особенностей выделенных или свободных территорий для размещения фотоэлектрических батарей имеет решающее значение для определения того, где инвестиции в солнечную фотоэлектрическую энергетику будут наиболее выгодны потребителю [2].
В настоящее время выработка энергии с помощью фотоэлектрических модулей на крышах также интересна с точки зрения сокращения выбросов углекислого газа, что особенно актуально для устойчивого развития территорий сельскохозяйственного назначения [3].
Когда идет речь о создании здания с нулевым потреблением энергии (net-zero), в работах многих исследователей говорится о важности учета топографических, климатических, технологических, нормативных и экономических факторов [4]. К ним относятся различные государственные стандарты и положения, возможность организации технологии хранения энергии, согласование нагрузки, взаимодействие с сетью, а также расходы, доходы и диапазон инвестиционных вариантов.
Точная оценка солнечного потенциала крыш становится все более важной для точного прогнозирования потенциала локальной генерации и её внедрения как в существующие, так и в строящиеся системы энергоснабжения потребителей [5]. Однако точная оценка потенциала применения технологии фотоэлектрической выработки электрической энергии средствами крышных установок является сложной задачей из-за разнообразия конструкций крыш, необходимости учета режима их инсоляции [6].
Для оценки освещенности территории с помощью инструментов ГИС составляют карты солнечного облучения, однако такой подход не подходит для малых объектов. Многие исследователи изучали освещенность отдельных объектов с применением методов моделирования или экспериментальных данных [7], используя картографические материалы в масштабе микрорайонов и городов, реже - в региональном или национальном масштабе. Однако такие карты характеризуются низким пространственным разрешением, что делает их непригодными для получения качественных детальных сведений об условиях освещенности отдельных зданий.
Таким образом, актуальным является уточнение ресурса солнечной энергии для территории сельскохозяйственного предприятия с учетом её строительных и ландшафтных особенностей.
Цель исследования - проанализировать ресурс солнечной энергии территории сельскохозяйственного предприятия с учетом её строительных и ландшафтных особенностей.
Материалы, методы и объекты исследований. На рисунке 1 представлен план перерабатывающего сельскохозяйственного предприятия «Завод Сорго» ФГБНУ АНЦ Донской с указанием геометрических размеров и пространственной ориентации зданий, направления и угла наклона крыш относительно горизонта.
1
Figure 1. General plan of the agricultural enterprise "Sorghum Plant"
Использован программный комплекс [8, 9] оценки ресурса солнечной энергии в заданной географической точке. В основе программного комплекса использован метод оценки ресурса солнечной энергии в заданной точке на поверхности Земли, который позволяет определить часовые суммы суммарной солнечной радиации (для дня п в момент времени t с учетом атмосферных условий), приходящей на приёмную площадку, ориентированную под углом ß к горизонту с азимутом у. Часовые суммы суммарной солнечной радиации определяются по формуле:
где R^, R2 - часовые суммы интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации для дня п в момент времени t на горизонтальной приемной поверхности, кВт ч/м2; г3 - коэффициент отражения земной поверхности (альбедо),
и - угол падения прямого солнечного излучения на произвольно наклоненную под углом ß>0 приемную площадку с азимутом у.
Затенение территории объекта моделировалось на основе этого же программного продукта с учетом размеров и взаимного размещения зданий потребителя [10].
Результаты и их обсуждение. Для рассматриваемой точки на поверхности Земли с географическими координатами 45,03° с. ш. и 38,98° в. д. анализ данных из доступных источников актинометрической информации по солнечной радиации, приходящей на горизонтальную к поверхности Земли приемную площадку, выявил значение валового потенциала 1246,87 кВт ч/м2 год и значение ресурса солнечной энергии, который можно максимально утилизировать, при ориентации приёмной площадки под оптимальным углом в пространстве 1432,10 кВт ч/м2 год [11, 12]. Проанализируем значения потока приходящего солнечного излучения для территории действующего сельскохозяйственного предприятия (рисунок 1) с учетом его ландшафтных и строительных особенностей. Площадь территории предприятия составляет S = 55 748 м2, при этом под застройку отведено 13,8% - Sok = 7 737 м2.
Рассмотрим несколько вариантов оценки приходящего на территорию предприятия солнечного излучения (R, кВт ч/год) относительно суммарной площади фотоэлектрических модулей (Бфэм, м2), суммарной площади ограждающих конструкций крыш зданий (Sok, м2),
суммарной площади ограждающих конструкций крыш зданий с учетом исключения зон затенения (Sokc3 = 2381 м2), площади территории предприятия (S, м2).
Вариант 1: все крыши зданий заполнены фотоэлектрическими модулями, установленными под углом к ограждающей конструкции; взаимное затенение зданий не учитывается (Бфэм = 6902,8 м2).
Вариант 2: все крыши зданий заполнены фотоэлектрическими модулями, установленными под углом к ограждающей конструкции; из расчета исключены для установки фотоэлектрических модулей зоны затенения (Бфэм = 2377,5 м2).
Вариант 3: все крыши зданий, кроме горизонтальных, заполнены фотоэлектрическими модулями, установленными под углом к ограждающей конструкции; на горизонтальных ограждающих конструкциях фотоэлектрические модули установлены под оптимальным углом в пространстве для обеспечения максимального потока на их приемной поверхности; расстояние между рядами определяется исходя из оптимальных условий затенения и рационального использования выделенных площадок; из расчета исключены для установки фотоэлектрических модулей зоны затенения (Бфэм = 955,15 м2).
На рисунке 2 представлены значения удельного годового ресурса солнечной энергии для различных вариантов заполнения территории предприятия фотоэлектрическими модулями, отнесенные к площади территории предприятия (R/S, кВт ч/м2 год), суммарной площади ограждающих конструкций крыш зданий (R/Sok, кВт ч/м2 год), суммарной площади ограждающих конструкций крыш зданий с учетом исключения зон затенения (R/Sokc3, кВт ч/м2 год), суммарной площади установленных фотоэлектрических модулей (R/S<d3m, кВтч/м2год).
Как видно из рисунка 2, годовой ресурс утилизируемой солнечной энергии с учетом ландшафтных и строительных особенностей территории рассматриваемого предприятия может быть реализован на 12% и 11% относительно валового и максимального значений ресурса солнечной энергии рассматриваемого региона при условии, что все крыши зданий заполнены фотоэлектрическими модулями, установленными под углом к ограждающей конструкции, а взаимное затенение зданий не учитывается. При этом на приемную площадь поверхности фотоэлектрических модулей приходится 1250,9 кВт ч/м2 год, что соизмеримо с валовым потенциалом региона и составляет 87% от максимально возможного. При учете режима инсоляции территории площадь, которую можно выделить под установку фотоэлектрических модулей, сокращается в 3,5 раза (с 7737 м2 до 2381 м2), а реализуемый потенциал со всей территории объекта исследования - до 4% от валового и максимального его значений, при этом сокращается и ресурс солнечной энергии, приходящей на суммарную площадь ограждающих конструкций зданий (в 2,9 раза), однако относительно площади используемых под установку моделей рассматриваемая величина возрастает на 11%, и валовый потенциал солнечной энергии реализуется полностью для такого варианта компоновки фотоэлектрических систем, а максимальный ресурс - на 87% (на приемную площадь поверхности фотоэлектрических модулей приходится также около 87% от максимально возможного ресурса региона).
1600 1400 1200
- 1000 о
■f 800
H 09
'■Ä 600
400 200 0
• 55748
тамсяшыьыли jwt^p^ LJjiHeniOfi эне- .и и
валовый ресурс
региона
солнечной энергии региоь
17737
690
60000
50000
40000
30000 5
20000
10000
R/S, кВт ч/м2 год R/SOK, R/SOKc3, R/S<53M
кВт ч/м2 год кВт ч/м2 год кВт ч/м2 год
J вариант 1 вариант 2 вариант 3
валовый ресурс солнечной энергии региона
-максимальный ресурс солнечной энергии региона
расчетная площадь вариант 1 • расчетная площадь вариант 2
Рисунок 2. Оценка удельного годового ресурса солнечной энергии для различных вариантов заполнения территории предприятия фотоэлектрическими модулями Figure 2. Estimation of the specific annual solar energy resource for various options for filling the enterprise territory with photovoltaic modules
Если все крыши зданий, кроме горизонтальных, заполнить фотоэлектрическими модулями, установленными под углом к ограждающей конструкции, а горизонтальные ограждающие конструкции - фотоэлектрическими модулями, установленными под оптимальным углом в пространстве при расстоянии между рядами для обеспечения оптимальных условий затенения и рационального использования выделенных площадок, и исключить из расчета для установки зоны затенения, то утилизируемый ресурс со всей площади предприятия уменьшится до 2% относительно валового и максимального значений, а удельный годовой поток относительно площади ограждающих конструкций зданий, выделенных под их установку, уменьшится до 45% относительного валового и 39% относительно максимального значения, но на приемной поверхности фотоэлектрического модуля величина годового ресурса солнечной энергии составит 97% от максимально возможного.
Выводы. Валовый потенциал солнечной энергии для южных регионов Российской Федерации составляет примерно 1250 кВт ч/м2 год; если оптимально ориентировать приемную поверхность модулей фотоэлектрической батареи в пространстве, то поток солнечного излучения за год на его поверхности может достигнуть 1400 кВт ч/м2 год. Но в условиях ландшафтных и строительных особенностей территории объекта АПК эта величина может снижаться существенно как относительно площади территории потребителя, так и
о
относительно площади участков, занимаемых фотоэлектрической батареей: до 1-2% и 40-45% соответственно. Учет условий затенённости территории объекта АПК, особенностей взаимного и пространственного размещения модулей в фотоэлектрической батарее, пространственной ориентации участков, выделенных для их установки, позволяет обеспечить максимальный поток солнечного излучения на поверхности каждого установленного модуля: 95-978% от максимально его возможного значения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Akshay Kaleshwarwar, Sarika Bahadure. Assessment of the solar energy potential of diverse urban built forms in Nagpur, India // Sustainable Cities and Society. - 2023. - Vol. 96. - 104681. -10.1016/j.scs.2023.104681.
2. Gabriela Koster, Wilfried van Sark, Britta Ricker. Solar potential for social benefit: Maps to sustainably address energy poverty utilizing open spatial data in data poor settings // Energy for Sustainable Development. -2024. - Vol. 80. - 101453. - 10.1016/j.esd.2024.101453.
3. Raman Kumar, et al. Rooftop solar potential in micro, small, and medium size enterprises: An insight into renewable energy tapping by decision-making approach // Solar Energy. - 2024. - Vol. 276. - 112692. - 10.1016/j.solener.2024.112692.
4. Guannan Li, et al. A district-scale spatial distribution evaluation method of rooftop solar energy potential based on deep learning // Solar Energy. - 2024. - Vol. 268. - 112282. -10.1016/j. solener.2023.112282
5. Jia Tian, Ryozo Ooka Evaluation of solar energy potential for residential buildings in urban environments based on a parametric approach // Sustainable Cities and Society. - 2024. - Vol. 106. - 105350. - 10.1016/j.scs.2024.105350.
6. Yaning An, et al. Solar energy potential using GIS-based urban residential environmental data: A case study of Shenzhen, China // Sustainable Cities and Society. - 2023. - Vol. 93. - 104547. -10.1016/j.scs.2023.104547.
7. Hongying Zhao, Rebecca Jing Yang, Chengyang Liu, Chayn Sun Solar building envelope potential in urban environments: A state-of-the-art review of assessment methods and framework // Building and Environment. -2023. - Vol. 244. - 110831. -DOI: 10.1016/j.buildenv.2023.110831.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016612047 Российская Федерация. Оценка потенциала солнечной энергии в заданной точке Южного федерального округа : №2015662511 : заявл. 18.12.2015: опубл. 18.02.2016 / Ю. В. Даус, В. В. Харченко, И. В. Юдаев ; заявитель ФГБОУ ВО Донской ГАУ.
9. Даус, Ю.В. Оценка потенциала солнечной энергии Южного федерального округа / Ю. В. Даус // Инновации в сельском хозяйстве. - 2015. - № 4(14). - С. 190-193.
10. Даус, Ю.В. Анализ географического ресурса солнечной энергии территории объекта АПК / Ю. В. Даус // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2023. - Т. 18, №3(71).-С. 76-83.
11. Increasing Solar Radiation Flux on the Surface of Flat-Plate Solar Power Plants in Kamchatka Krai Conditions / Y. V. Daus, I. V. Yudaev, K. A. Pavlov, V. V. Dyachenko // Applied Solar Energy. -2019. - Vol. 55, No. 2. - P. 101-105. - 10.3103/S0003701X19020051.
12. Daus, Yu. V. Managing Spatial Orientation of Photovoltaic Module to Obtain the Maximum of Electric Power Generation at Preset Point of Time / Yu. V. Daus, V. V. Kharchenko, I. V. Yudaev // Applied Solar Energy. -2018. - Vol. 54, no. 6. - P. 400-405. -10.3103/S0003701X18060051.
REFERENCES
1. Akshay Kaleshwarwar, Sarika Bahadure (2023) 'Assessment of the solar energy potential of diverse urban built forms in Nagpur, India', Sustainable Cities and Society, vol. 96, 104681, 10.1016/j.scs.2023.104681.
2. Gabriela Koster, Wilfried van Sark, Britta Ricker (2024) 'Solar potential for social benefit: Maps to sustainably address energy poverty utilizing open spatial data in data poor settings', Energy for Sustainable Development, vol. 80, 101453, 10.1016/j.esd.2024.101453.
3. Raman Kumar, et al. (2024) 'Rooftop solar potential in micro, small, and medium size enterprises: An insight into renewable energy tapping by decision-making approach', Solar Energy, vol. 276, 112692, 10.1016/j .solener.2024.112692.
4. Guannan Li, et al. (2024) 'A district-scale spatial distribution evaluation method of rooftop solar energy potential based on deep learning', Solar Energy, vol. 268. - 112282, 10.1016/j. solener.2023.112282
5. Jia Tian, Ryozo Ooka (2024) 'Evaluation of solar energy potential for residential buildings in urban environments based on a parametric approach', Sustainable Cities and Society, vol. 106, 105350, 10.1016/j.scs.2024.105350.
6. Yaning An, Tianyi Chen, Lei Shi, Chye Kiang Heng, Jinglin Fan (2023) 'Solar energy potential using GIS-based urban residential environmental data: A case study of Shenzhen, China', Sustainable Cities and Society, vol. 93, 104547, 10.1016/j.scs.2023.104547.
7. Hongying Zhao, Rebecca Jing Yang, Chengyang Liu, Chayn (2023) 'Sun Solar building envelope potential in urban environments: A state-of-the-art review of assessment methods and framework', Building and Environment, vol. 244, 110831, 10.1016/j .buildenv.2023.110831.
8. Certificate of state registration of a computer program No. 2016612047 Russian Federation. Assessment of solar energy potential at a given point in the Southern Federal District: No. 2015662511: application. 12/18/2015: publ. 02/18/2016 / Yu. V. Daus, V. V. Kharchenko, I. V. Yudaev; applicant FSBEI HE Don State Agrarian University.
9. Daus, Yu. V. (2015) 'Assessment of the solar energy potential of the Southern Federal District', Innovations in agriculture, vol. 14, no. 4, pp. 190-193.
10. Daus, Yu. V. (2023) 'Analysis of the geographical resource of solar energy on the territory of an agro-industrial complex object', Bulletin of the Kazan State Agrarian University, vol. 18, no. 3 (71), pp. 76-83.
11. Daus Y. V., Yudaev I. V., Pavlov K. A., Dyachenko V. V. (2019) 'Increasing Solar Radiation Flux on the Surface of Flat-Plate Solar Power Plants in Kamchatka Krai Conditions', Applied Solar Energy, vol. 55, no. 2, pp. 101-105, 10.3103/S0003701X19020051.
12. Daus, Yu. V., Kharchenko V. V., Yudaev I. V. (2018) 'Managing Spatial Orientation of Photovoltaic Module to Obtain the Maximum of Electric Power Generation at Preset Point of Time', Applied Solar Energy, vol. 54, no. 6, pp. 400-405, 10.3103/S0003701X18060051.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Юлия Владимировна Даус, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина», Краснодар, Россия; http://orcid.org/0000-0001-9120-7637; SPIN-код: 6048-0509; Scopus Author Ш: 57191261343; Researcher Ш: АВВ-5354-2020; e-mail: [email protected].
Игорь Викторович Юдаев, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электроснабжения, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина», Краснодар, Россия; http://orcid.org/0000-0002-3435-4873; SPIN-код: 6836-5529; Scopus Author Ш: 57191251878; Researcher Ш: ААН-8298-2019; e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Yulia V. Daus, Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Electrical, Heat Engineering and Renewable Energy Sources Department, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin", Krasnodar, Russia; http://orcid.Org/0000-0001-9120-7637; SPIN-code: 6048-0509; Scopus Author ID: 57191261343; Researcher ID: ABB-5354-2020; e-mail: [email protected].
Igor V. Yudaev, Doc. Sci. (Tech.), Professor, Professor of the Electrical Supply Department, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin", Krasnodar, Russia; http://orcid.org/0000-0002-3435-4873; SPIN-code: 6836-5529; Scopus Author ID: 57191251878; Researcher ID: AAH-8298-2019; e-mail: [email protected].
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted.
The authors declare no conflict of interest.
Поступила в редакцию / Received 12.07.2024 Поступила после рецензирования / Revised 03.09.2024 Принята к публикации / Accepted 04.09.2024
