Введение

Энергетические проблемы Крыма во многом определяются тем, что Крым плохо обеспечен собственными традиционными источниками энергии: извне поступает 93% электроэнергии, 52-55% природного газа, 96% жидкого топлива [1]. В Крыму почти вся электроэнергия вырабатывается тепловыми станциями. В 1986 году была построена Щелкинская атомная станция, но не была введена в строй из-за протестов общественности и серьезных доводов геологов, показавших, что в этом районе возможны сильные землетрясения. В регионе разведаны большие запасы газа на шельфе Черного и Азовского морей. Как отмечают специалисты [1], технические и экономические возможности позволяют увеличить его добычу в три раза по сравнению с современной, то есть на полуострове есть энергетические ресурсы, значительно превышающие его потребности. Вместе с тем, разведанные запасы углеводородов при сохранении существующих способов добычи и потребления могут быть исчерпаны через 40-50 лет, на длительную перспективу рассчитывать на собственный газ не следует.

Крымский регион обладает достаточно большими величинами возобновимых источников энергии: солнечной, ветровой, геотермальной, энергии биомассы (табл. 1). [2].

Таблица 1 – Потенциал возобновимых источников энергии в Крыму, МВт·ч в год [2]

Разрабатываемые и принимаемые в последние годы программы и проекты развития Крымского региона нацелены на обеспечение его устойчивого развития в будущем. [3]. Эта новая стратегия Крыма не может игнорировать и не учитывать мировые тенденции. Его топливно-энергетический комплекс должен трансформироваться в сторону уменьшения зависимости от поставок энергии извне, поэтапного, постепенного, и неукоснительного увеличения доли возобновляемой энергетики.

В настоящее время развитие возобновляемой энергетики ставит новые задачи, которые могут быть решены при помощи ГИС: выбор оптимальных территорий для размещения объектов на ВИЭ с учетом широкого спектра действующих факторов и возможных последствий (экологических, экономических, технических и социальных). При этом в качестве определяющего фактора размещения объектов необходимо считать наличие ресурсного потенциала, и только на перспективных территориях в дальнейшем целесообразно учитывать факторы (и их сочетание), препятствующие или ограничивающие строительство. Представляется, что такой анализ ограничений лучше всего проводить на региональном уровне, когда ставятся стратегические задачи регионального развития, обоснования инвестиций, поиска районов для ведения предпроектных работ, но не осуществления конкретных проектов. На стадии осуществления проектов проводятся и финансируются исследования более крупного масштаба и более дорогостоящие. Точность и применимость в дальнейшем таких оценок обусловлена правильностью выбора спектра природных, экологических и социально-экономических факторов, определяющих сооружение и работу объектов на ВИЭ. [4]

Целью данной работы является изучение потенциала территории Большой Феодосии для использования систем солнечной энергетики.

Изложение основного материала

Общая схема анализа солнечного энергетического потенциала территории представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Блок-схема оценки теоретического и технического потенциала территории для использования солнечных энергостанций [5]

В качестве модельной территории была выбрана территория Большой Феодосии –активно осваиваемая рекреационная зона Юго-Восточного Крыма с развивающимся виноградарством, пищевой и легкой промышленностью, табаководством, историко-культурными объектами и заповедными территориями, сохранившими первозданный ландшафт. В связи с тем, что на территории Феодосийского горсовета развиваются различные отрасли хозяйства, перед муниципалитетами и поселковыми советами ставятся задачи минимизировать отрицательное воздействие на окружающую среду, поэтому является актуальным исследование перспектив развития экологически безопасных источников энергии на данной территории. В первую очередь речь идет об обеспечении местного населения электроэнергией с использованием систем возобновляемой энергетики.

Одним из перспективнейших направлений использования солнечной энергетики является применение фотоэлектрических систем (ФЭС) – систем прямого преобразования световой энергии солнечного излучения в электричество[6]. Преимущество ФЭС прямого преобразования состоят в том, что они не имеют движущихся механических частей, не нуждаются в воде или другом теплоносителе [7]. В зависимости от конструктивного исполнения ФЭС практически не нуждаются в обслуживании [8, 9].

Для таких фотоэлектрических систем прямого преобразования проводился расчет валового и технического потенциалов использования солнечных электростанций на территории Большой Феодосии.

Первым этапом оценки солнечного энергетического потенциала территории является оценка теоретического потенциала территории – общее количество энергии, которым характеризуется каждый из источников возобновляемой энергии [10].

На основе космического снимка SRTM в программе ArcGIS при помощи функции Area Solar Radiation в инструментах Spatial Analyst были построены карты поступления солнечной радиации (рис. 2, 3) за каждый месяц с учетом среднемесячных значений общей облачности за период с 2004 г. по 2013 г. Функция Area Solar Radiation выводит поступающее солнечное излучение из поверхности растра. Выходные растры радиации всегда представлены числами с плавающей точкой и выражены в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Участки, перспективные для строительства солнечных электростанций, были выбраны с учетом данных земельного кадастра территории [11].

Рисунок 2 – Поступление суммарной солнечной радиации на территорию Большой Феодосии в январе

Рисунок 3 – Поступление суммарной солнечной радиации на территорию Большой Феодосии в июле

Второй этап оценки солнечного энергетического потенциала территории заключается в оценке технического потенциала территории – часть энергии теоретического потенциала, которую можно реализовать с помощью современных технических устройств [10], установка которых лимитирована ландшафтными условиями. К таким условиям можно отнести закрытость склонов, современную систему землепользования, природоохранную, историческую, эстетическую, туристическую и рекреационную ценности территории и др. Важен учет инженерно-геологических и инженерно-геоморфологических условий строительства, а именно – инженерно-геологические свойства пород, развитие и распространение карста, наличие оползневых и селевых процессов, абразии, анализ микросейсмологических условий.

На территории Большой Феодосии сохранилось достаточно большое количество археологических памятников разных эпох. Одним из критериев выбора территории для строительства каких-либо объектов в целом является наличие и отдаленность от памятников местного и национального значения, особенно, археологических памятников. Для оценки историко-археологической ценности территории необходимо провести анализ и учет археологических памятников Юго-Восточного Крыма, их границ и охранных зон [12] (рис. 4).

Рисунок 4 – Фрагмент археологической карты Большой Феодосии

Расчет технического потенциала солнечной энергетики на выделенных участках производился в программе ArcGis 10, при помощи инструмента зональная статистика. Далее полученные данные были умножены площадь каждого участка. Площадь участков была посчитана в таблице атрибутов каждой территории.

В ходе анализа территории были выделены 5 перспективных участков для строительства солнечных электростанций, которые соответственно располагаются на территории Приморского поссовета, Береговского сельсовета г.Феодосия, Насыпновского сельсовета, Коктебельского поссовета (рис. 5).

Рисунок 5 – Территории, перспективные для строительства солнечных электростанций [13]

Полученные карты поступления солнечной радиации позволили количественно оценить максимальную мощность энергии, которую можно получить с каждой выделенной территории. Для того чтобы узнать сколько возможно получить электроэнергии с каждого участка, полученные данные были умножены на 17% – коэффициент эффективности преобразовании энергии. Взят именно такой коэффициент, так как большинство фирм крымского солнечного рынка предлагает фотоэлектрические элементы на пластинах, полученных на сравнительно дешевом «солнечном» кристаллическом кремнии, который позволяет достичь рекордного отношения коэффициент эффективности преобразовании энергии к цене [9]. Однако при использовании солнечных концентраторов и кремниевых матричных высоковольтных солнечных модулей изготавливаемых в ВИЭСХ, возможно увеличение коэффициента электрического преобразования до 25 % и более, а наряду с электроэнергией получать ещё и тёплый теплоноситель [14]. Срок номинальной мощности таких модулей увеличивается с 20-25 до 40-50 лет, потому что в качестве заполнителя используется не этиленвинилацетатная плёнка (при ламинировании модулей), а двухкомпонентный полисилоскановый компаунд (процесс герметизации) [7]. Таким образом, возможно увеличение выработки электроэнергии на единицу площади, увеличение срока службы самих модулей и получение тёплой воды для технических нужд на выходе модулей [15].

Были посчитаны площади внутри каждого населенного пункта, с целью определения самостоятельного обеспечения электроэнергией. При помощи карт поступления суммарной солнечной радиации был посчитан валовой и технический потенциал поступления электроэнергии на перспективные участки территории для строительства солнечных электростанций за каждый месяц и за год в целом.

В итоге, пересчитав полученные значения на общую площадь потенциально пригодных участков, получены значения технического потенциала мощности, которую можно достичь на территории Феодосийского горсовета, используя фотоэлектрические системы прямого преобразования.

Значения валового потенциала представлены на рис. 6. Расчет получаемой энергии на территории населенных пунктов представлен на рис. 7.

На рис. 8 приведено соотношение потребности населения Феодосийского горсовета в электроэнергии и рассчитанные данные возможной выработки электроэнергии с солнечных электростанций.

Рисунок 6 – Валовой потенциал солнечной энергетики на выделенных участках

Рисунок 7 – Технический потенциал солнечной энергетики на выделенных участках

Рисунок 8 – Соотношение потребностей в электроэнергии и потенциала территории выделенных участков в населенных пунктах Большой Феодосии по выработке электроэнергии солнечными электростанциями.

Из рис. 8 видно, что Большая Феодосия потребляет 56830.2 МВт∙ч в год, а возможная выработка электроэнергии за год солнечными электростанциями составит 8644658,8 МВт∙ч. Полученные данные дают нам основания утверждать, что при застройке выделенных территорий солнечными электростанциями территория Большой Феодосии сможет обеспечить местное население электроэнергией, так как выработка электроэнергии от солнечных электростанций намного превышает потребляемое количество электроэнергии местным населением.

Заключение

В результате проведенных исследований была проведена оценка возможности использования энергии солнца. Были выделены пять территории для постройки солнечных электростанций, которые расположены в Коктебельском, Приморском поссоветах, Насыпновском, Береговском сельсоветах и г.Феодосия, для которых был посчитан теоретический и технический потенциал поступления электроэнергии. Получаемая энергия за год на территории Коктебельского поссовета – 875069,2 МВт∙ч, Насыпновского сельсовет – 4252698,2 МВт∙ч, Береговского сельсовета – 1623404,5 МВт∙ч, Приморского поссовета – 1261466,3 МВт∙ч, г.Феодосия – 632020,6 МВт∙ч. Таким образом, при использовании систем солнечной энергетики можно полностью обеспечить потребности населения Большой Феодосии в электроэнергии.

1. Багрова Л. А., Боков В. А., Черванев И. Г. Энергетика мира // Солнечная энергетика для устойчивого развития Крыма. – Симферополь : Изд-во «ДОЛЯ», 2009.
2. Устойчивый Крым. Энергетическая стратегия XXI века. – Симферополь : «Экология и мир», 2001.
3. Паспорт федеральной целевой программы «Социально-экономическое развитие Республики Крым и г. Севастополя до 2020 г.» (утвержден постановлением Правительства Российской Федерации от 11 августа 2014 г. №790)
4. Рафикова Ю. Ю., Киселева С. В., Нефедова Л. В. Использование ГИС-технологий в области возобновляемой энергетики: зарубежный и отечественный опыт // Альтернативная энергетика и экология. 2014. № 12.
5. Горбунова Т. Ю., Горбунов Р. В. Подходы к оценке теоретического и технического потенциалов территории для возможности внедрения систем солнечной энергетики (на примере территории Юго-Восточного Крыма) // Возобновляемые источники энергии: Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием и IX научной молодёжной школы. – М.: Университетская книга, 2014.
6. Гусаров В. А., Харченко В. В., Майоров В. А., Панченко В. А. Солнечная электростанция для параллельной работы // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 2/1.
7. Стребков Д. С., Поляков В. И., Панченко В. А. Исследование высоковольтных солнечных кремниевых модулей // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 6/2.
8. Panchenko V. A. Review and applications of solar modules developed and produced by GNU VIESH. Research in Agricultural Electric Engineering. Volume 2. 2014. № 3.
9. Мазинов А. С., Бекиров Э. А. Фотоэлектрические преобразователи и системы // Солнечная энергетика для устойчивого развития Крыма. – Симферополь : ДОЛЯ, 2009.
10. Кудря С. О. Нетрадиційні та відновлювальні джерела енергії. Київ: Вид-во НТУУ «КПІ», 2012.
11. Публичная кадастровая карта Украины. Масштаб 1:100000. С изменениями от 27 мая2014 г.
12. Археологическая карта Крыма [Online]. Доступно на: http://www.archmap.ru/
13. Ильина О. И., Горбунова Т. Ю., Горбунова Р. В. Перспективы использования систем возобновляемой энергетики на территории Большой Феодосии // Бранта: Сборник научных трудов Азово-Черноморской орнитологической станции. 2014. Вып. 17. Специальный выпуск.
14. Стребков Д. С., Майоров В. А., Панченко В. А. Солнечный тепло-фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № ½.
15. Стребков Д. С., Майоров В. А., Панченко В. А, Осьмаков М. И., Плохих С. А. Солнечная установка с матричными фотоэлементами и концентратором // Электро. 2013. № 2.

Все статьи автора «Горбунов Роман»