Оценка гелиоэнергетического потенциала Камчатского края на примере г. Петропавловска-Камчатского

Благодарности. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25–29– 20263 и Камчатского края № 30–2025–005943 –29–20263/).

Цитирование: Павлов К. А. Оценка гелиоэнергетического потенциала Камчатского края на примере г. Петропавловска-Камчатского / К. А. Павлов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2025, 18(8). С. 1072–1080. EDN: VZLEKO период по данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (англ. International Renewable Energy Agency, IRENA).

Несмотря на высокую долю ВИЭ, гелиоэнергетика в настоящее время не получила особого развития в Камчатском крае. Между тем, по данным карты инсоляции для регионов России [1], Камчатский край является среднепотенциальным регионом и уже имеется положительный опыт использования гелиоэнергетики для децентрализованного электроснабжения потребителей. Так, в 2019 г. по техническому проекту Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Научно-исследовательского геотехнологического центра» Дальневосточного отделения Российской академии наук (НИГТЦ ДВО РАН), основанного в том числе на данных инструментальных измерений плотности суммарной солнечной радиации [2, 3], и данным математического моделирования гибридной дизель-солнечной электростанции [4], в с. Долиновка Камчатского края компанией «Русгидро» была построена первая промышленная солнечная электростанция (СЭС) в регионе. Установленная мощность СЭС 107,2 кВт позволяет частично замещать генерируемую дизельной электростанцией энергию и, таким образом, сокращать расход дизельного топлива на 67 тонн в год, существенно снижая негативное воздействие на окружающую среду.

Ключевым входным параметром для СЭС является плотность суммарной солнечной радиации. Данный параметр весьма чувствителен к климатическим факторам, таким как облачность, антропогенная загрязненность воздуха твёрдыми частицами (пылью) и аэрозолями, содержание водяного пара и озона в воздухе. Следовательно, знание точных локальных значений суммарной солнечной радиации за годовой цикл является ключевым параметром при проектировании генерируемых энергосистем на основе СЭС. Получение точных значений суммарной солнечной радиации возможно только с помощью инструментальных измерений дорогостоящими приборами, например пиранометрами. Данные приборы требуют регулярной поверки и технического обслуживания, что делает задачу получения данных плотности суммарной радиации весьма дорогостоящей и трудоемкой.

Территория Камчатского края занимает площадь, равную 464 275 км2. На данной территории располагается всего два актинометрических пункта Федерального государственного бюджетного учреждения «Камчатское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» («Камчатское УГМС»). Наиболее близко расположенный пункт (в 6 км) к административному центру края – метеостанция в п. Пионерский. Второй располагается севернее в 600 км в п. Ключи. Всего гидрометеорологическая сеть «Камчатского УГМС» насчитывает 37 станций и 87 постов, распределенных по всей территории края.

В настоящее время альтернативными способами получения наиболее достоверных данных о приходе суммарной солнечной радиации на земную поверхность могут являться эмпирические модели, модели на базе искусственного интеллекта, модели на основе спутниковых данных, модели переноса излучения. Наиболее часто используемыми из перечисленных являются эмпирические модели, благодаря общедоступности и распространенности входных климатических данных (температура и влажность воздуха, продолжительность солнечного сияния, облачность и др.), а также отсутствию необходимости использования значительных вычислительных мощностей для расчетов.

В работах [5, 6] авторами установлено, что модели, основанные на данных продолжительности солнечного сияния, дают наиболее достоверные оценки значений суммарной радиации.

Повышение надежности расчетных данных достигается путем калибровки эмпирических моделей по имеющимся локальным данным инструментальных измерений суммарной солнечной радиации.

Исходя из вышесказанного, оценка и калибровка имеющихся эмпирических моделей, а также разработка новых моделей являются весьма актуальной задачей, решение которой будет способствовать дальнейшему развитию солнечной энергетики и повышению доли ВИЭ в энергобалансе Камчатского края.

В данной работе на основе общедоступных актинометрических данных выполнена оценка гелиоэнергетического потенциала в условиях г. Петропавловска-Камчатского. Намечены перспективы дальнейших исследований в этом направлении с целью повышения надежности расчетных данных суммарной радиации по всей площади Камчатского края и выявления наиболее перспективных территорий.

Методология исследования

Для достоверной оценки гелиоэнергетического потенциала необходимо использовать комплекс доступных актинометрических данных для рассматриваемой территории.

Для расчета потенциала гелиоэнергетического ресурса в условиях г. Петропавловска-Камчатского использованы данные «Камчатского УГМС» по месячным суммам суммарной радиации, поступающей на горизонтальную плоскость, и по продолжительности солнечного сияния за полный годовой цикл 2017 г. Указанные данные измерены на метеостанции в п. Пионерский, расположенной на 53° с.ш., аналогично г. Петропавловску-Камчатскому. Кроме того, использованы данные плотности суммарной радиации [2], полученные в с. Долиновка на 55° с.ш.

Для получения расчетных значений месячных сумм суммарной радиации, приходящей на горизонтальную плоскость, использовалась эмпирическая модель, учитывающая продолжительность солнечного сияния и полуденную высоту солнца [7]:

^ Q_Mec = 0,0049 ■ SS¹'³¹ + 10,5 ■ (sinh^ ^z<                           (1)

где ΣQ мес – месячная сумма суммарной радиации, ккал/см²; SS – продолжительность солнечного сияния за месяц, ч; h _n – полуденная высота солнца в градусах, рассчитанная по формуле:

h_n = 90 - Л + 5,                                                     (2)

где λ – географическая широта места, градусы; δ – склонение солнца, определенное на середину каждого месяца для принятой широты, градусы.

Полученные по формуле (1) расчетные данные месячных сумм суммарной радиации за 2017 г. сравнивались с фактическими данными за аналогичный период, определялись средняя абсолютная ошибка в процентах и среднеквадратическое отклонение.

Для проверки надежности модели (1) дополнительно проводились расчеты месячных сумм суммарной радиации в условиях с. Долиновка.

Результаты исследования и их обсуждение

Камчатский край является регионом Крайнего Севера, имеет средний уровень солнечного воздействия и непродолжительное солнечное сияние [8]. Значительная облачность – 1075 – существенно уменьшает продолжительность солнечного сияния, в результате на всей территории фактическое число часов солнечного сияния не превышает 43 % от возможного. По данным «Камчатского УГМС», наименьшее число часов солнечного сияния отмечается на Командорских островах (менее 950 часов) и юге края (менее 1000 часов), что составляет 21–22 % от возможного. Наибольшая продолжительность солнечного сияния наблюдается в долинах рек южной половины полуострова и в Петропавловске-Камчатском (1662–1936 часов). Число дней без солнца довольно значительно и в среднем составляет 100–120. Таким образом, наблюдается неравномерность в приходе солнечной радиации на территории Камчатского края.

Для оценки гелиоэнергетического потенциала в районе г. Петропавловска-Камчатского в качестве исходных данных приняты значения месячных сумм суммарной радиации (для горизонтальной поверхности) и продолжительности солнечного сияния за годовой цикл 2017 г. (рис. 1). На рис. 2 показана корреляция указанных параметров, коэффициент корреляции R ² составляет 0,82. Из рис. 1 видно, что с марта по август месячные суммы суммарной радиации существенно зависят от продолжительности солнечного сияния. В январе и феврале, а также с сентября по декабрь темп снижения количества суммарной радиации более интенсивный по сравнению со снижением продолжительности солнечного сияния. Это объясняется малой полуденной высотой солнца в указанные периоды (табл. 1) и, соответственно, малым углом по отношению к приемной горизонтальной поверхности. Наибольшее количество радиации (более 500 МДж/м²) поступает с мая по июль, с максимальным значением (около 650 МДж/м²) в июне. В табл. 1 приведена рассчитанная по формуле (2) на середину каждого месяца полуденная высота солнца для 53° с.ш. Из представленных в табл. 1 данных можно сделать вывод,

Рис. 1. Среднемесячные фактические и расчетные суммы суммарной радиации за 2017 г. в районе г. Петропавловска-Камчатского

Fig. 1. Monthly average actual and calculated sums of global radiation for 2017 in Petropavlovsk-Kamchatsky vicinity

Рис. 2. Линейная корреляция значений суммарной радиации и продолжительности солнечного сияния в районе г. Петропавловска-Камчатского в 2017 г.

Fig. 2. Linear correlation between the values of global radiation and the sunshine duration in Petropavlovsk-Kamchatsky vicinity in 2017

Таблица 1. Полуденная высота солнца для 53°с.ш.

Table 1. The midday solar altitude for 53°N

Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Угол, градусы 16 25 35 46,8 55,9 60,3 58 51 40 28,5 18,5 13,8 что в зимние месяцы для повышения эффективности фотоэлектрических модулей необходимо изменение угла их наклона по отношению к горизонту.

Для получения расчетных значений месячных сумм суммарной радиации использовалась формула (1). Для оценки надежности расчетов по формуле (1) выполнено сравнение фактических и расчетных среднемесячных значений сумм суммарной радиации за 2017 г. в районе г. Петропавловска-Камчатского, сравнение представлено в табл. 2 и на рис. 1. Из сравнения данных видно, что расчетные данные показывают занижение месячных сумм суммарной радиации в период с января по август от 2 до 25 %. С сентября по декабрь происходит превышение фактических данных в диапазоне 5–30 %. Рассчитанная средняя абсолютная ошибка в процентах составляет 13 %, а среднеквадратическое отклонение составляет около 40 МДж/м2. В целом расчетные данные занижают годовую сумму суммарной радиации на 240 МДж, что составляет 6 %.

Дополнительно надежность принятой эмпирической модели (1) была оценена по фактическим данным суммарной радиации в условиях с. Долиновка Камчатского края, измеренным в 2017 г. [2]. В табл. 3 приведено сравнение расчетных и фактических данных. В целом из сравнения наблюдается аналогичное расхождение данных, как и в случае расчетов для – 1077 –

Таблица 2. Сравнение среднемесячных фактических и расчетных сумм суммарной радиации за 2017 г. в районе г. Петропавловска-Камчатского

Table 2. Comparison of monthly average actual and calculated amounts of global radiation for 2017 in Petropavlovsk-Kamchatsky vicinity

Данные	Суммы по месяцам
	I	II	III	IV	V	VI	VII
фактические	101,9	157,3	301,4	487,1	572,7	642,9	528,9
расчетные	99,9	134,6	225,7	423,6	529,1	597,8	494,2
Данные	Суммы по месяцам					Сумма за год
	VIII	IX	X	XI	XII
фактические	432,3	319,4	239,8	103,1	75,6	3962,57
расчетные	391,9	337,7	253,2	127,1	106,2	3721,0

Табл. 3. Сравнение среднемесячных фактических и расчетных сумм суммарной радиации за 2017 г. в с. Долиновка Камчатского края

Table 3. Comparison of monthly average actual and calculated amounts of global radiation for 2017 in village Dolinovka

Данные Суммы по месяцам I II III IV V VI VII фактические 93,7 136,8 299,5 457,1 512,3 623,8 607,9 расчетные 41,3 156,6 297,7 461,4 571,4 562,0 532,4 Данные Суммы по месяцам Суммы за год VIII IX X XI XII фактические 522,3 341,9 199,2 73,7 52,2 3920 расчетные 502,1 380,6 233,5 114,0 31,4 3885 г. Петропавловска-Камчатского. Рассчитанная средняя абсолютная ошибка в процентах составляет 19 %, а среднеквадратическое отклонение – около 42 МДж/м2. По годовой сумме суммарной радиации расчетные данные занижают значение на 35 МДж/м2, что составляет 1 %.

По результатам полученного годового значения суммарной радиации вблизи г. Петропавловска-Камчатского можно приблизительно оценить гелиоэнергетический потенциал. При значении, равном 3960 МДж/м2, или 1100 кВт·ч/м2, а также номинальной эффективности фотоэлектрических модулей 19 % возможна выработка за год около 200 кВт·ч с одного м2. Необходимо отметить, что все приведенные значения гелиоэнергетического потенциала рассчитаны для горизонтально ориентированной поверхности. Увеличение количества генерируемой фотоэлектрическими модулями энергии возможно путем ориентирования приемной поверхности перпендикулярно солнечным лучам. Предварительные расчеты, выполненные в [8], показали возможность увеличения гелиоэнергетического потенциала на 16 % при подборе оптимального угла наклона приемной поверхности и его корректировке в течение года.

Выводы

По результатам проведенного исследования были получены следующие выводы. Установлено, что принятая для оценки суммарной радиации эмпирическая модель, основанная на продолжительности солнечного сияния, не позволяет прогнозировать с достаточной точностью месячные суммы суммарной радиации. Расхождение расчетных значений относительно фактических данных возможно в пределах 30 %, как в сторону завышения, так и занижения. Годовые суммы прогнозируются с высокой долей надежности. Таким образом, для более детализированной оценки потенциальных гелиоэнергетических ресурсов необходимо проведение дополнительных исследований, уточняющих микроклиматические условия (облачность, влажность, температура и др.) отдельных территорий, с целью определения их перспективности в данном вопросе. В целом годовой гелиоэнергетический потенциал, оцененный по двум населенным пунктам Камчатского края, составляет около 1100 кВт·ч/м2. При этом благоприятным для функционирования СЭС является период с марта по сентябрь. Для уточнения работы режима СЭС необходимо получение актинометрических данных высокого временного разрешения (не менее 1 часа).