ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ОБЛАСТИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Кандидат физико-математических наук С.В. КИСЕЛЁВА, доктор технических наук О.С. ПОПЕЛЬ, кандидат технических наук С.Е. ФРИД
Зачем нужны ГИС в возобновляемой энергетике?
Развитие возобновляемой энергетики (ВЭ) в мире, особенно в последнее десятилетие, стало заметным явлением. К настоящему времени ВЭ превратилась в самостоятельную динамично развивающуюся (с ежегодным ростом в десятки процентов) отрасль энергетики, машиностроения, фундаментальной и прикладной науки, техники и технологии. Суммарная мощность энергоустановок ВЭ, действующих в мире, в 2012 г. приблизилась к 300 ГВт и существенно превысила установленную мощность всех атомных электростанций (240 ГВт). Анализу темпов развития отдельных отраслей ВЭ посвящено значительное число обзоров и аналитических материалов, в которых особое внимание уделяется новейшим технологическим 3разработкам, оперативно внедряемым § в серийное производство, а также ра-£ ботам в области фундаментальной на-| уки, которые, возможно, дадут эффект § лишь через годы или десятилетия1. ^ В России, крупной энергетической | державе с огромными запасами орга-® нического топлива, развитию ВЭ дли-I тельное время серьёзного внимания не
1 уделялось. В конце XX в. в нашей стра-
2 _
о
| 1 Возобновляемые источники энергии: Курс лек® ций. Выпуск 7 / Под общей редакцией А.А. Со? ловьёва, С.В.Киселёвой. М.: Университетская книга. 2012; Фортов В.К., Попель О.С. Энергетика в современном мире. Долгопрудный: Издательский Дом "Интеллект". 2011.
не практически прекратилось финансирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, сократилось количество созданных ранее опытно-демонстрационных установок, было свёрнуто существовавшее производство оборудования для солнечной и ветровой энергетики. В то же время в последнее десятилетие рост цен и тарифов на энергию, впечатляющие успехи ряда зарубежных стран в освоении возобновляемых энергетических ресурсов вызвали повышение интереса к использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и в нашей стране. При этом интерес к энергоснабжению на базе ВИЭ (особенно автономному) всё в большей степени проявляется "снизу", то есть наиболее заинтересованной стороной -потребителями. И потребитель в первую очередь нуждается в широкой информации о том, какие существуют технические средства (оборудование, установки), каковы ресурсы солнечной, ветровой энергии, энергии малых водных потоков и грунта, биоэнергии и т.д. в месте предполагаемой эксплуатации установки.
В связи с этим за рубежом уже достаточно давно начали разрабатывать и предоставлять потребителю разнообразные информационные ресурсы: сначала печатные, а в результате развития сети интернет - электронные. И эти ресурсы предоставляются как на коммерческой основе, так и в открытом доступе. Что касается оборудования, то источниками такого рода информации в первую очередь выступают фирмы-производители
2
© С. В. Киселёва, О. С. Попель, С. Е. Фрид
и дилеры оборудования. Но есть ещё немаловажный пласт информации - это общие и специальные сведения о ВЭ, а также данные о природных ресурсах, экономических аспектах (рентабельности, сроке окупаемости оборудования), об опыте разработки и использования энергосистем на ВИЭ, о реально действующих объектах. Поскольку целый ряд
Рис. 1.
Данные о падающей солнечной радиации:
а - средняя многолетняя годовая сумма суммарной солнечной радиации при безоблачном небе (МДж/м2); б - районирование территории СССР по потенциалу солнечной радиации (цифра в кружке - номер района по приоритету потенциала, римская цифра - номер экономического района, точки - границы районов).
аспектов из перечисленных выше привязан к географической точке, для иллюстрации и анализа ВЭ начали широко применять картографические методы. Такие работы в нашей стране, безусловно, проводились задолго до возникновения современных средств картографирования и создания специализированных картографических программ2. Так, данные о падающей солнечной радиации в виде карт были представлены в Атласе ветрового и солнечного климата, выпущенном ГГО им. А.И. Воейкова (рис. 1)3. Именно в ГГО в течение многих лет велись серьёзные исследования по оценке различных составляющих падающей солнечной радиации, в том числе и в приложении к энергетике; разрабатывались методы интерполяции данных наземных измерений, что чрезвычайно важно в условиях редкой сети актинометрических станций в России4. В то же время, в силу специализации метеорологических организаций, оценка ресурсов возобновляемой энергетики не входит в перечень их первоочередных задач. При решении таких задач очень важно определить спектр величин, не только дающих общие оценки, например, природного потенциала для больших территорий, но и соответствующих запросам специалистов в области проектирования установок, для которых, с одной стороны, необходимы локальные данные о ресурсах ВИЭ, §
2 Атлас энергетических ресурсов ° СССР. Т.1, ч. 3. Гидроэнерге- 2 тические, ветроэнергетиче- и ские, гелиоэнергетические ре- ц сурсы. 1935. ®
3 Борисенко М.М., Стадник В.В. ® Атласы ветрового и солнеч- ! ного климатов России. СПб.: § Изд-во ГГО им. А.И. Воейкова. % 1997. 1
4 Пивоварова З.И., Стадник В.В. ® Климатические характеристики « солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. Л.: Гидрометеоиздат. 1988.
а с другой - важен определённый регламент получения данных и их точность, что могло бы гарантировать необходимую достоверность оценок5.
В связи с комплексностью проблемы становятся очевидными преимущества геоинформационных технологий (ГИС-технологий) и необходимость сотрудничества специалистов физико-технических и географических специальностей. Осознание такой необходимости привело к объединению усилий и реализации совместных проектов специалистами научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ) МГУ им. М.В. Ломоносова и Лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения Объединенного института высоких температур РАН. На основе этих коллективов в 2008 г. был создан и успешно действует Научно-образовательный центр "Возобновляемые источники энергии".
Анализ ресурсной базы возобновляемой энергетики.
Проблема доступности данных
Ещё в 2007 г. была опубликована статья6, в которой специалисты ОИВТ РАН и МГУ сформулировали обозначенные выше задачи определения и представления природных ресурсов возобновляемой энергетики и продемонстрировали первые результаты в области солнечной энергии. В статье была обозначена весьма серьёзная проблема непредставительности данных метеорологических станций о падающей солнечной радиации. В России в настоящее время функционирует сеть метеороло-
CD _
0
К 5 Проблеме представительности данных для нужд
1 ветроэнергетики и недостаточности метеороло-° гических данных посвящены, в частности, рабо-° ты: Игнатьев С.Г., Киселёва С.В. Развитие мето-
0 '
и дов оценки ветроэнергетического потенциала и
1 расчёта годовой производительности ветроус-5 тановок// Альтернативная энергетика и эколо-g гия. 2010. № 10(90) и Игнатьев С.Г. Решение те! оретических задач ветроэнергетики с позиций § теории вероятностей одномерной случайной m величины // Альтернативная энергетика и эко-Ï логия. 2011. № 2.
g- 6 Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Ки-« селёва С.В., Терехова Е.Н. Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России //Энергия: экономика, техника, экология. 2007. № 1.
гических станций, проводящих комплексные актинометрические наблюдения. Однако число актинометрических станций на территории России (около 130) недостаточно для столь большой площади, что вызывает необходимость проведения обоснованных пространственных экстраполяций и интерполяций результатов измерений. В то же время возникающие потребности в установках преобразования солнечной энергии требуют в настоящее время всё более точных данных об обеспеченности ресурсами солнечной энергии не столько крупных регионов, сколько локальных территорий. Кроме того, число измеряемых характеристик солнечной радиации на метеостанциях ограничено. Ранее в работах ГГО были предложены некоторые решения обозначенных проблем. Так, для преодоления отсутствия акти-нометрических данных было проведено осреднение продолжительности солнечного сияния (сеть гелиографических станций в 4-5 раз гуще актинометри-ческой), а затем на основе корреляции её с величиной суммарной солнечной радиации была определена последняя7. Однако это не снимает необходимости в экстраполяции и интерполяции акти-нометрических данных на значительные расстояния. Выполненные нами оценки для Москвы показывают, что при средних значениях суточных сумм суммарной солнечной радиации в январе 1.98 МДж/м2 (период осреднения 1958-2000 гг.) ошибки экстраполяции на 100 км составляют 30-45%, на 200 км -40-75%. Средние значения суммарной суточной солнечной радиации за июль в тот же период осреднения составили 18.9 МДж/м2, а погрешности экстраполяции на 100 км - 19%, на 200 км -25%, на 300 км - 35%, что сказывается на точности проектирования, выбора оборудования и режимов работы гелиоустановки, а также на прогнозах количества получаемой энергии.
В настоящее время при оценке ресурсов ВИЭ всё шире используются дистанционные (спутниковые) методы измерений и математическое моделирование, позволяющие получать более детальные
7 Пивоварова З.И. Радиационные характеристики вычислений. Л.: Гидрометеоиздат. 1977.
массивы исходной информации, которая обычно предоставляется пользователю в виде баз данных (БД). На сегодня существует значительное число такого рода компьютерных БД, охватывающих территории различного масштаба8: NASA SSE, WRDC, SOLARGIS, METEONORM и др. Они либо доступны через сеть интернет, либо предлагаются как коммерческий продукт. Будучи по сути базами климатической информации, указанные БД предлагают исходные массивы, позволяющие количественно оценивать или качественно характеризовать в основном лишь ресурсы солнечной и ветровой энергии и энергии малых водных потоков (осадки), а также моделировать работу соо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.