Оценка потенциала энергии солнечного излучения на территории России

The aim of this work is evaluating of potential of using solar energy in Russia. To achieve this goat we have been established how effective to use solar radiation in solar collectors, which produce hot water for domestic needs. 11 regions on the territon7 of Russia had been selected for current research. These regions arc located next to Pskov. St. Petersburg, Astrakhan Sochi. Krasnoyarsk. Chita. Yakutsk. Salekhard. Petropavlovsk-Kamcliaisky. Vladivostok and Yekaterinburg.

At first, the intensity7 of solar radiation hi different regions of Russia was analyzed. Getting data of solar radiation allowed us to make a conclusion that tlie intensity7 of solar radiation is minimal in St. Petersburg 840 kW h / nr and maximum in Astrakhan. 1371 kW h / in* and Sochi 1365 kW h / nr. Duc to climatic features, solar collectors cannot be used as a year-round source of hot water in areas with polar nights, where the solar radiation is 0 kW h / m* even during the day. Salekhard can be indicated as one of those cities.

Nowadays, the solar collectors arc the most effective devices for using of solar energy. If photovoltaic panels use only 14-18% of solar energy which reached surface of installation, the efficiency of solar collectors is around 8()-95%.Calculalion of the area of solar collectors which arc necessary for covering daily needs in hot waler for a family of 5 persons showed that only 0,6 and 0,9 nr of solar collectors must be installed in Vladivostok and Sochi for this purpose, while the maximum side 17 square meters is required in St. Petersburg.

Analyze of the solar collectors market is allowed us to make conclusion that the cost of installation, which arc produced in Russia, is lower than the cost of the same product which arc made abroad. Moreover, that quality of them is almost the same. The average cost of flat solar collectors (FSC) is 12,435 rubles per square meter, when the price for vacuum solar collectors (VSC) is 18,856 rubles per square meter.

The pay back period depends on the cost of the installation and prices for thermal energy al the regions. The cost of the cubic meter of hot water ranges from one region to another. The minimum price is 41,75 rubles in St. Petersburg, the minimum one is 269.67 rubles in Pctropavlovsk-Kamchatsky. The average pay back period is 5,5 years for FSC and 7 years for vacuum ones. The maximum value of payback period is 34 for FSC and 49 for VSC in St. Petersburg. So long payback period in St. Pctcrbuig is a result of low sun radiation on the territory and low cost of hot water in this region.

Economic benefits of using particular type of power supply depends on the climatic conditions in the region, on availability of central water and energy supplying systems and utility tariffs. In general, in area with high level of solar radiation the using of solar collectors can bring some benefits. Solar installations will have short pay back period and they will be able to bring to profit by the end of service life. The profit ranges from 488 792 to 23 772 rubles.

Heat capacity7 depends on the intensity7 of solar radiation wliich in its turn depends on the area of using solar collectors, solar radiation, ty pe of installation itself and the inclination angle of the solar collector hi relation to solar radiation For improving the efficiency of solar energy7, it is necessary7 to choose as the correct ty pe of collector as an incline panel wliich is able to increase tlie energy7 production in 1.2-1.4 times.

Therefore, the using of solar energy7 for the hot water needs is effective in almost all regions, wliich have been examined in this project.

Key tvords: energy⁷ from solar radiation solar collector, hot water sy stem.

Солнце постоянно излучает огромное количество энергии. Из-за поглощения атмосферными слоями или отражения только часть ее достигает Земли [1]. Но не смотря на это, ресурсы солнечной энергии во много раз превышают существующие энергетические потребности. Солнечная энергетика является самым быстроразвивающим-ся направлением в области возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на территории Европы [2]. В России она применяется в относительно небольших масштабах, хотя наблюдается быстрый рост объемов ее применения. Существуют два возможных варианта использования солнечной радиации: улавливание солнечной энергии и преобразование ее с помощью фотоэлемен тов в электрическую энергию; преобразование ее в теплоту с помощью солнечных коллекторов [3].

На сегодняшний момент солнечные коллекторы являются самыми эффективными устройствами по использованию энергии солнца. Если фотоэлектрические панели используют лишь 14—18% от поступающей к ним энергии солнца, то эффективность солнечных коллекторов 80-95% [4]. Основной принцип их работы заключается в том, что солнечные коллекторы поглощают тепловую энергию, концентрируют и направляют ее к потребителю.

Цель данной работы: оценить потенциал использования энергии солнечного излучения на территории России. Для до-

Вестник аграрной науки Дона стижения этой цели была произведена оценка эффективности преобразования энергии солнечного излучения в теплоту для горячего водоснабжения (ГВС).

Энергетический потенциал Солнца на территории России оценивается в 12,5 млн т условного топлива в год [5]. Плотность потока солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, зависит от времени года и широты местности, а суммарное количество солнечной энергии, поступившее на определенную площадь Земли, зависит от продолжительности солнечного излучения.

Россия расположена между 41 и 82 градусами северной широты, и уровни солнечной радиации на ее территории существенно варьируются. По оценкам, солнечная радиация в отдаленных северных районах составляет 810 кВт час м" в год, тогда как в южных районах она превышает 1400 кВт час/м" в год [6]. Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.

Таблица 1 - Величина солнечного излучения на единицу горизонтальной поверхности в выбранных регионах

Город	Я шах, кВт ч / хГ	Я min, кВт ч / м"	Я ГОЛ, кВт ч / м"
	июнь	декабрь	годовая
Санкт-Петербург	161,8	2,2	846,7
Салехард	168,3	0,0	903,3
Псков	165,2	5,6	918,4
Красноярск	173,6	9,5	989,0
Якутск	182,3	4,8	1043,3
Екатеринбург	172,2	12,9	1053,1
Петропавловск-Камчатский	157,1	23,5	1079,4
Чита	180,0	24,6	1221,6
Владивосток	130,2	58,2	1299,8
Сочи	200,5	35,0	1375,9
Астрахань	211,7	26,9	1382,4

Значительными ресурсами обладают Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, а также Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. Например, во Владивостоке (43 градуса северной широты) поступление солнечной энергии достигает 1299,8 кВт ч/м", а в Петропавловске-Камчатском (53 градуса северной широты) - 1079,4 кВтч/м2 Именно в этих районах рекомендуется использование установок, преобразующих солнечную энергию [7].

Для оценки потенциала преобразования энергии солнечного излучения в теплоту для горячего водоснабжения (ГВС) было выбрано 11 регионов России, расположенных в районе городов Пскова, Санкт-

Петербурга, Астрахани, Сочи, Красноярска, Читы, Якутска, Салехарда, Петропавловск-Камчатский, Владивостока, Екатеринбурга. Суммарная годовая интенсивность солнечного излучения (с/.™)) в выбранных регионах представлена в таблице 1. Наименьшее годовое солнечное излучение имеет место в районе Санкт-Петербурга и составляет 846,7 кВт ч/ м2 Регионы в районе Астрахани, Сочи и Владивостока обладают максимальным годовым солнечным излучением.

Из таблицы видно, что наблюдаются большие сезонные колебания в приходе солнечной энергии. Так, на широте 60 градусов (в Санкт-Петербурге) суточный приход солнечной радиации в декабре составляет ^тпііі= 2,2 кВт ч/м2, а в июне - ^П1ах = 161,8 кВт ч/м7 Из-за климатических особенностей солнечные коллекторы нельзя использовать в качестве круглогодичного источника горячего водоснабжения в районах с полярными ночами, в период которых солнечная радиация составляет 0 кВт-ч/м2. Салехард является одним из таких городов.

Площадь солнечного коллектора А, необходимая для покрытия нужд в горячем водоснабжении для семьи из пяти человек, была рассчитана по формуле I. Результаты расчета площади солнечных коллекторов приведены на рисунке 1.

A = Gl^g„ (1)

где 0=500 кг - суточный расход горячей воды на семью из пяти человек в системе горячего водоснабжения, кг, определенный согласно [СНиП 2.04.01-85];

gi - часовая производительность установки, отнесенная к I м2 поверхности солнечного коллектора, кг/м2;

п - количество часов светового дня.

Результаты расчетов (рисунок 1) показывают, что для того чтобы покрыть дневную норму в ГВС семьи из пяти человек вблизи городов Владивостока и Сочи, необходимо установить СК площадью 0,6 и 0,9 м" соответственно. Максимальная площадь солнечной установки (17 м2) потребуется для ГВС в районе Санкт-Петербурга.

Рисунок 1 — Площадь солнечных коллекторов, покрывающая потребность в горячем водоснабжении семьи из пяти человек в декабре в различных регионах России

Существует ряд отечественных производителей СК (ОАО «Ковровский механический завод» - СК КМЗ, НПО «Машиностроение» - СК «Сокол», ОАО «Альтэн» - СК «Альтэн-1»), но большинство продукции СК на рынке солнечных установок представлено зарубежными фирмами из Германии, Италии, Австрии и США.

По проведенным нами подсчетам средняя стоимость отечественных плоских СК составляет 8500 руб./м2, что сегодня существенно ниже зарубежных при практически одинаковом качестве. Средняя стоимость квадратного метра плоского СК у зарубежных производителей составляет в среднем около 12435 руб./м2, а вакуумированного 18856 руб./м2

Срок окупаемости СК зависит от стоимости оборудования и цен на тепловую энергию в регионе. Стоимость 1 м3 горячего водоснабжения в различных частях страны отличается в 6-7 раз. Так, стоимость ГВС в рассматриваемых областях варьируется от 41,75 руб. в Санкт-Петербурге до 269,67 руб. в Петропавловске-Камчатском. Проведенные расчеты срока окупаемости показали, что в среднем он составляет 5,5 лет для плоского (СОп;|) и 7 лет для вакуумированного (СОвак) коллектора (рисунок 2). Максимальная величина СОПЛ=34 года и СОкак=49 лет наблюдается в Санкт-Петербурге, это связано с невысокой освещенностью местности и дешевой стоимостью горячего водоснабжения.

Срок службы солнечных коллекторов составляет 15-30 лет [8], это свидетельствует о том, что использование солнечных коллекторов во всех регионах России является эффективным, так как срок окупаемости установок меньше 15 лет. Красноярск

По проведенным расчетам срок окупаемости установки в Санкт-Петербурге превышает срок ее эксплуатации, это делает более предпочтительным использование других источников тепловой энергии. Салехард находится в зоне полярного круга, и интенсивность солнечного излучения в декабре равна нулю. Но использование установки в другие месяцы окупается за 13 лет при плоском коллекторе и за 18 лет при вакуумированном коллекторе. В период нулевой интенсивности солнечного излучения следует прибегать к использованию альтернативных источников горячего водоснабжения, таких как электрический котел или дизель-генератор.

В связи с этим подсчитали денежные затраты на ГВС с помощью централизованного отопления (ДЗгвс is. руб.), электрического котла (ДЗэк is, руб.), дизель-генератора (ДЗдг 15, руб.), плоского и вакуумированного солнечных коллекторов (ДЗскил 15, руб. И ДЗск.вак 15, руб.), результаты расчетов представлены в таблице 2.

находится на границе указанных величин, т.е. оборудование окупится непосред ственно перед выходом из эксплуатации.

Рисунок 2 - Срок окупаемости солнечных коллекторов в различных регионах России

Таблица 2 - Денежные затраты на ГВС индивидуального фермерского дома с помощью различных источников тепловой энергии за 15 лет эксплуатации

Город	Горячее водоснабжение	Электрический котел	Дизель-генератор	Солнечный коллектор
	ДЗ ГВС 15, руб-	ДЗ ЭК 15, руб.	ДЗ ДГ 15, руб.	ДЗ СК. 1UI15, руб.	ДЗ СК. ВАК 15, руб.
Псков	3 5 0 3 70	125 395	327 881	+227 523	+188 355
Санкт-Петербург	114 285	84 595	328 998	146 587	25 7 029
Астрахань	248 625	118 300	306 381	+186 702	+178 997
Сочи	546 975	125 710	310011	+488 792	+483 013
Красноярск	114 285	172 705	329 463	+23772	0
Чита	126 630	92 470	344 728	+63475	+55128
Якутск	297 870	136 645	3 8 5 494	+156365	+107566
Салехард	3 34 440	187 210	315 037	53666	67048
Петропавловск-Камчатский	73 8 225	164 275	393 592	+504701	+408386
Владивосток	3 3 8 220	92 545	364 925	+283761	+279909
Екатеринбург	210 735	200 770	325 740	+131406	+114711

Как отмечалось выше, срок окупаемости большинства солнечных коллекторов составляет 5-7 лет, что делает возможным сэкономить значительную сумму денежных средств при их использовании в течение периода эксплуатации (15 лет). Так, использование солнечного коллектора в Петропавловске-Камчатском позволяет получить прибыль в размере от 408 386 при использовании плоского коллектора до 504 701 руб. при использовании вакуумированного. В городах с плохой солнечной освещенностью срок окупаемости может превышать срок эксплуатации, что делает использование солнечных коллекторов не только не прибыльным, но даже убыточным. Так, в Санкт-Петербурге плоские установки не окупятся на 146 587 руб., а вакуумированные - на 25 7 029 руб. В городах с подобными условиями не следует отказываться от централизованного горячего водоснабжения или следует рассмотреть возможность ГВС с помощью электрического котла или дизель-генератора.

Из перечисленных вариантов ГВС с помощью электрического котла и дизель-генератора наиболее экономически выгодным является первый вариант (ДЗэк 15 =

=84 595, руб.). Если к дому не подведено централизованное электроснабжение, то использование электрического котла в данном случае не представляется возможным. В этом случае для ГВС можно использовать дизель-генератор. При сравнении СК и дизель-генератора в климатических условиях Санкт-Петербурга более выгодным является использование первого варианта, хотя он и не окупится за 15 лет, но затраты при этом будут меньше на 71969 руб. при использовании плоского СК и 182 411 руб. при использовании вакуу-мированого СК, чем при применении дизель-генератора.

Как показывают расчеты, использование солнечного коллектора в качестве источника ГВС является эффективным практически во всех рассмотренных территориях.

Тепловая мощность коллектора, зависит от интенсивности солнечного излучения, которая, в свою очередь, зависит от региона эксплуатации солнечного коллектора, площади поглощения солнечного коллектора, типа исполнения, а также угла наклона солнечного коллектора по отношению к солнечному излучению.

Неподвижная панель солнечного коллектора, размещённая под оптимальным углом наклона, способна воспринять в 1,2— 1,4 раза больше энергии по сравнению с горизонтальной, а если она будет поворачиваться вслед за Солнцем, то прибавка составит 1,4-1,8 раза. Оптимальный угол наклона зависит от того, когда именно нужна солнечная энергия. Если использовать установку только в тёплый период, то стоит выбрать оптимальный угол наклона, перпендикулярный к среднему положению Солнца в период между весенним и осенним равноденствиями. Он примерно на 10°—15° меньше географической широты. Если использовать установку круглогодично, то надо ориентироваться на среднее положение Солнца между осенним и весенним равноденствиями и размещать панели ближе к вертикали - на 5°-15° больше географической широты [9].

Количество тепловой энергии, которое вырабатывает солнечный коллектор, зависит также от эффективной площади солнечной панели. Она равна реальной площади панели, умноженной на синус угла между её плоскостью и направлением потока. Поэтому, если панель перпендикулярна потоку, её эффективная площадь равна её реальной площади, если поток отклонился от перпендикуляра на 60° - половине реальной площади, а если поток параллелен панели, её эффективная площадь равна нулю. Таким образом, существенное отклонение потока от перпендикуляра к панели не только увеличивает отражение, но снижает её эффективную площадь, что обусловливает очень заметное падение выработки тепловой энергии [10].

Существует два вида солнечных коллекторов: плоские и вакуумные. У каждого вида солнечных коллекторов есть свои недостатки и преимущества.

Плоские считаются более прочными и надежными, в то время как, вакуумные потенциально более хрупкие. Первые более эффективны при нагреве воды на 20-40 градусов выше температуры окружающей среды. Вакуумные коллекторы более эффективны, когда необходимо нагреть воду до более высокой температуры. Данный вид коллекторов более эффективен в зим- нее время, поскольку у него ниже теплопо-тери от контакта с окружающей средой, а также коллекторы дают больше энергии в пасмурную погоду.

Выводы

• 1.    Потенциал использования солнечной энергии на территории России очень велик, наиболее благоприятными являются юго-западные и юго-восточные районы страны.

• 2.    Для повышения эффективности использования солнечной энергии необходимо правильно подобрать как тип коллектора, так и уровень наклона панели, который позволит увеличить производство энергии в 1,2-1,4 раза.

• 3.    Использование энергии солнечного излучения для горячего водоснабжения фермерского дома является эффективным практически во всех рассмотренных регионах. Солнечные коллекторы окупаются за 5-7 лет и за оставшийся период эксплуатации позволяют получить пр ибыль от 55 128 руб. до 504 701 руб. в зависимости от региона страны.