Ресурсный потенциал солнечной энергии для установок, использующих ее в системе энергоснабжения потребителей г. Волжского

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ресурсный потенциал солнечной энергии для установок, использующих ее в системе энергоснабжения потребителей г. Волжского

Даус Юлия Владимировна, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет», г. Зерноград, Россия;

Веселова Наталья Михайловна, кандидат технических наук, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград, Россия;

Юдаев Игорь Викторович, доктор технических наук, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет», г. Зерноград, Россия

Ракитов Сергей Александрович, Пригородные межрайонные электрические сети ПАО «Волгоградоблэлектро», г. Волгоград, Россия

В условиях реализации Программ сокращения бюджетных расходов на коммунальные нужды социальной сферы актуальным является внедрение в практику их энергоснабжения возобновляемых источников энергии. Однако, при всем их многообразии, не все конструкции на основе возобновляемых источников энергии могут быть использованы в условиях городской застройки. Кроме того, изменчивый характер прихода солнечного излучения на поверхность Земли требует конкретных прогнозов и расчетов его интенсивности. Точная оценка солнечного потенциала района предполагаемого размещения генерирующей установки позволяет не только на стадии проектирования обосновать её параметры, но и спрогнозировать ее режим работы и оценить её технико-экономическую эффективность. Цель статьи - оценить уровень солнечного излучения для города Волжский Волгоградской области на начальном этапе проектирования и обоснования внедрения на городской территории энергоустановок, преобразующих возобновляемую солнечную энергию. В статье предлагается использовать метод оценки потенциала солнечной энергии в конкретной географической точке, основанной на комбинации расчетного метода определения характеристик солнечного излучения и актинометрических измерений. Город Волжский Волгоградской области, как и большинство населенных пунктов Нижнего Поволжья, обладает высоким потенциалом солнечной энергии: 1228,8 кВт·ч/м? для горизонтальной поверхности южной ориентации приемной поверхности энергоустановок, который может быть увеличен на 16,2% при ее оптимальной ориентации относительно горизонта и сторон света. Однако, расширение использования потенциала солнечной энергии района может быть ограничено расположением уже существующих конструкций зданий и сооружений, на которых в условиях городской застройки могут располагаться энергоустановки

Ключевые слова: солнечная энергия, пространственная ориентация, приемная поверхность

Системы энергоснабжения российских городов и поселений характеризуются высоким уровнем их централизации. Эти системы должны обеспечивать высокую надежность и эффективность, что определяется необходимостью бесперебойной подачи энергии городским потребителям, с конкретно задаваемым и поддерживаемым качеством предоставляемых услуг [1]. Основными потребителями энергии являются крупные производственные структуры, размещенные на городских территориях, а также учреждения социальной направленности и жилищно-коммунальный сектор. Организация нормального, безаварийного функционирования производственных технологических процессов обеспечивается равномерным, непрерывным и с заранее определенным качеством поставляемых на промышленные объекты энергоносителей. При этом непрерывность протекающих процессов обеспечивается организацией снабжения электрической энергией от нескольких подстанций, с нескольких вводов, а тепловой энергии - от нескольких котельных. Такая структура не всегда используется для энергоснабжения социальных учреждений и в коммунальном секторе. Поэтому при организации обеспечения их бесперебойного энергоснабжения, особенно при авариях или профилактических работах на элементах энергетических структур, следует предусматривать дополнительную, независимую от перечисленных условий подачу энергии [2].

В условиях реализации Программ сокращения бюджетных расходов [3] на коммунальные нужды социальной сферы актуальным является внедрение в практику их энергоснабжения возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Однако, при всем их многообразии не все конструкции ВИЭ могут быть использованы в условиях городской застройки [4]. Эффективным в этих случаях, на наш взгляд, следует считать универсальный источник, который мог бы, используя первичную возобновляемую энергию, преобразовывать ее как в электрическую, так и в тепловую энергию, а его энергооборудование могло было быть расположено и смонтировано на уже существующих строительных конструкциях. Обозначенным требованиям наиболее всего удовлетворяют имеющиеся генерирующие установки, работающие на энергии солнца.

Нижнее Поволжье является одним из наиболее привлекательных регионов для использования оборудования возобновляемой энергетики, в том числе и использующие потенциал солнечной энергии [5]. Но, изменчивый характер прихода солнечного излучения на поверхность Земли требует конкретных прогнозов и расчетов его интенсивности. Точная оценка солнечного потенциала района предполагаемого размещения ВИЭ позволяет не только на стадии проектирования обосновать параметры генерирующей установки, но и спрогнозировать ее режим работы и оценить её технико-экономическую эффективность.

Цель работы. Оценка уровня солнечного излучения для города Волжский Волгоградской области используемого при проектировании и обосновании внедрения на городской территории энергоустановок, преобразующих возобновляемую солнечную энергию.

Метод исследования. Для точной оценки потенциала солнечной энергии в конкретном пункте на конкретной территории необходимо знать почасовые значения всех составляющих солнечного излучения достигающих земной поверхности. Достоверную для инженерных расчетов оценку необходимых значений солнечной инсоляции можно сделать, используя разработанную методику, подробно описанную в [6-7]. Основными исходными данными для расчета являются географические координаты изучаемого региона или конкретного места, как например города Волжского Волгоградской области: 48,78° северной широты, 44,77° восточной долготы.

Результаты и их обсуждение. Чаще всего солнечные энергоустановки подключают к уже имеющимся внутренним сетям и коммуникациям на модернизируемом или проектируемом объекте, размещая их на крышах, форма и конструкция которых может варьироваться от плоских до скатных с различными углами наклона [8].

Наиболее простыми для проектирования являются плоские крыши так как их форма повторяет поверхность горизонтально располагаемых гелиополей и по отношению к которым в настоящее время достаточно обширно разработаны проектные требования [9, 10]. Поэтому рассмотрим конфигурацию крыш, имеющих скатные конструктивные решения.

Расчет интенсивности солнечной радиации проводим для приемной поверхности, планируемой к размещению под оптимальным углом наклона двускатной крыши [11] 20-50° с ориентацией на восток, юго-восток, юг, юго-запад и запад, по заданным географическим координатам города Волжского. В качестве расчетного угла наклона скатной крыши примем значение 30°.

Результаты расчетов годовых значений суммарной инсоляции на различно ориентированные площадки (скаты крыш) как относительно горизонта, так и сторон света представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Годовые значения солнечного излучения на различно ориентированные поверхности

солнечный энергия городской возобновляемый

В климатических условиях города Волжского на горизонтальную поверхность за год приходится 1231,98 кВт ч/м2 солнечного излучения. Из рисунка 1 видно, что потенциал используемой солнечной энергии можно повысить путем различной ориентации фотоэлектрических панелей в пространстве. Так энергетический поток достигает максимального значения при юго-восточной или юго-западной ориентации при угле наклона относительно горизонта равном 50°. При значении последнего ниже 50° наиболее выгодным является расположение, направленное на юг. Однако, при монтаже солнечной электростанции на крыше здания, ориентация по сторонам света соответствует ориентации ската крыши. Анализ значений углов наклона относительно горизонта при таком конструкционном ограничении показывает, что при ориентации на восток или запад, а также юго-восток или юго-запад целесообразно выбирать большие значения углов наклона относительно горизонта, так как такое пространственное положение нацелено на утилизацию солнечного излучения в рассветное и закатное время, когда Солнце находится низко над горизонтом.

Так как профилактические ремонты коммунальных структур и энергопередающих систем имеют сезонный характер, то при проектировании энергоустановок, преобразующих энергию солнца, и выборе угла наклона их принимающей поверхности для получения максимальной выработки от интенсивности приходящей солнечной радиации следует проанализировать данные полученные на основе расчета сумм интенсивности суммарной солнечной радиации в зависимости от времени года. На рисунке 2 приведены полученные расчетным путем сезонные суммы суммарной солнечной радиации, падающей на различно ориентированные по сторонам света приемные поверхности с углом наклона 30°.

Рисунок 2 - Значения суммарной инсоляции по сезонам для приемной поверхности, находящейся по углом 30° к горизонту с различной ориентацией по сторонам света

Анализ представленных на рисунке 2 результатов показывает, что оптимальным следует считать ориентацию на юг при одном и том же угле наклона поверхности крыши относительно горизонта. Однако, при использовании крыш зданий для размещения на них солнечных энергоустановок это не всегда возможно. Результаты расчета также показывают, что отклонение расположения от юга к юго-востоку или юго-западу характеризуется незначительным снижением солнечной инсоляции. А вот ориентация на запад или восток по сравнению с южным направлением приводит к уменьшению количества приходящего солнечного излучения соответственно от 7% весной до 22% в зимний период.

При выборе и комплектовании системы преобразования солнечной энергии необходимо знать долю поступающей прямой, рассеянной и отраженной радиации. Такое соотношение составляющих солнечного излучения, которое достигает поверхности приемной площадки с углом наклона 30° относительно горизонта и ориентацией на юго-восток (юго-запад) с учетом конкретного сезона для г. Волжского приведено на рис. 3.

Рисунок 3 - Составляющие суммарной солнечной радиации,
падающей на наклонные поверхности

Как видно из рисунка 3 рассеянная составляющая составляет от 35% до 43% в различные сезона года, поэтому пренебрегать ею нельзя. Согласно расчетным формулам [5, 6] её значение зависит от угла наклона приемной поверхности относительно горизонта, что накладывает дополнительные ограничения на выбор угла наклона ската крыши, если солнечное энергоснабжение предусматривается еще на этапе проектирования зданий или при конструировании солнечных электроустановок, расположенных, на горизонтальных конструкциях.

На рисунке 4 представлены данные о годовой интенсивности солнечного излучения на различно ориентированные поверхности для летнего периода на территории г. Волжского.

Рисунок 4 - Зависимость годовой суммы солнечного излучения от угла наклона приёмной поверхности и её ориентации по сторонам света для летнего периода

При этом можно заметить, что максимальное и минимальное значение суммарной радиации выявлено для южной ориентации соответственно при 20° и 50° наклона относительно горизонта. радиации не гарантирует максимум суммарной инсоляции. Так при восточной ориентации интенсивность излучения снижается при увеличении угла наклона приемной площадки от 499,6 кВт ч/м2 до 489,1 кВт ч/м2.

Так же из рисунка 4 можно сделать вывод, что при заданной ориентации по сторонам света предпочтительно выбирать меньший угол наклона ската крыши. Так, например, при расположении в направлении юга желательно использовать углы наклона поверхности до 41°, а вот для восточного (западного) ориентирования выбор угла относительно горизонта не влияет существенно на количество получаемой солнечной энергии.

Кроме того, при угле наклона принимающей поверхности от 20° до 35° можно рекомендовать южное направление, а при значениях угла выше 35° лучшей ориентацией следует считать восточную (западную). Если невозможно обеспечить такое решение конструктивно, то при угле наклона относительно горизонта выше 41° рационально планировать и располагать приемные поверхности энергоустановок, ориентированные на юго-восток (юго-запад).

Выводы

Город Волжский Волгоградской области, как и большинство населенных пунктов Нижнего Поволжья, обладает высоким потенциалом солнечной энергии: 1228,8 кВт·ч/м? для горизонтальной поверхности южной ориентации приемной поверхности энергоустановок, который может быть увеличен на 16,2% при ее оптимальной ориентации относительно горизонта и сторон света. Однако, расширение использования потенциала солнечной энергии района может быть ограничено расположением уже существующих конструкций зданий и сооружений, на которых в условиях городской застройки могут располагаться энергоустановки.

Список литературы

1. Современные способы модернизации существующих систем теплоснабжения А.Г. Батухтин и др. Международный научно-исследовательский журнал. - 2013. -№7 (14) - Часть 2. - С.40-45.

2. Аронова Е.С. Оценка целесообразности использования технологий солнечной энергетики в исторической застройке Санкт-Петербурга и климатических условиях Северо-Запада / Е.С. Аронова, В.А. Мургул // Архитектура и современные информационные технологии. - 2013. - № 2(23). С. 1-20.

3. Юдаев И.В. Опыт использования ВИЭ на сельских территориях и в рекреационных зонах в регионах ЮФО / И.В. Юдаев // Вестник аграрной науки Дона. - 2015. - № 1 (29). - С. 82-92.

4. Даус Ю.В. Оценка потенциала солнечной энергии Южного федерального округа / Ю.В. Даус // Инновации в сельском хозяйстве. - 2015. - №4 (14). - С. 190-195.

5. Свидетельство № 2016612047 Российская Федерация. Оценка потенциала солнечной энергии в заданной точке Южного федерального округа: свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ / Ю.В. Даус, В.В. Харченко, И.В. Юдаев; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «Донской ГАУ». № 2015662511; заявл. 18.12.2015; зарегистр. 18.02.2016. 1 с.

6. Bidur Raj Gautam Assessment of urban roof top solar photovoltaic potential to solve power shortage problem in Nepal / Bidur Raj Gautam, Fengting Li, Guo Ru Energy and Buildings. - 2015. - Vol. 86. - Pр. 735-744.

Размещено на Allbest.ur