Оценка потенциала территории европейской части РФ для использования солнечных батарей с помощью геоинформационных технологий

Актуальность

Данная тема очень актуальна в связи с экологической обстановкой в России и во всём мире. Использование альтернативных источников энергии становится всё популярнее, так как это оказывает менее вредное воздействие на окружающую среду. Солнечные электростанции являются одним из способов решения экологических проблем.

Цель

Создать карту, которая будет показывать, где можно наиболее эффективно использовать солнечные батареи на территории европейской части России.

Задачи

1. Анализ существующих решений.
2. Создание векторной картографической основы для проекта.
3. Поиск исходной тематической информации о количестве приходящей солнечной радиации на поверхность Земли в разных регионах европейской части России.
4. Поиск исходной тематической информации о количестве солнечных дней в разных регионах России.
5. Анализ затрат на установку солнечных батарей.
6. Подсчёт среднемесячных затрат электричества в разных регионах России (стоимость электроэнергии в данном регионе).
7. Анализ эффективности использования солнечной энергии в разных регионах России.
8. Визуализация результатов в картографическом виде.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер

Описание

Поиск и анализ информации

Нахождение данных по солнечной инсоляции явилось одним из важных пунктов в работе над проектом. Необходимо было найти данные инсоляции в декабре и июне (21 декабря – самый короткий день, зима; 21 июня – самый длинный день, лето) по всем регионам европейской части Российской Федерации. Данные были составлены на основе информации, полученной на сайте Nasa Power (Data Access Viewer) (рис. 1).

(рис.1)

Далее требовалось проанализировать количество солнечных дней в декабре/июне в разных регионах европейской части России. Для получения этих данных использовался сайт GoodMeteo.ru, который предоставляет подробную информацию о климате по всем регионам России. На рисунках 2 и 3 показана информация о климате в декабре и июне для Архангельской области.

Затем следовало проанализировать затраты на электроэнергию в месяц по регионам (на 2022 год). Были взяты средние затраты электроэнергии (кВт*ч) в декабре/июне. Использовалась актуальная информация с сайта https://skolko-stoit.ru/ для нахождения тарифов за электроэнергию.

Все полученные данные были перенесены в Excel для использования в дальнейших расчётах (рис. 4 – пример данных в Excel по нескольким регионам).

Работа с данными Excel

Также нужно было изучить типы солнечных панелей, проанализировать затраты на установку СЭС* и выявить наиболее подходящий вариант солнечных панелей для использования в европейской части России. Было решено использовать в качестве примера солнечные панели HVL-320/HJT (номинальная мощность – 312,5 Вт, эффективность – до 25%), которые производит и устанавливает компания «Хевел».

*СЭС – солнечная электростанция

Следующим этапом работы был расчёт в Excel мощности солнечной электростанции с помощью формулы.

Мощность также рассчитывается по двум месяцам: декабрь и июнь.

Пример расчёта мощности по нескольким регионам европейской части России (рис. 5).

Помним, что эффективность солнечных панелей – только 25%, следовательно, надо было рассчитать итоговое количество электроэнергии (кВт) за 1 день. Получается такая формула:

ИМ = мощность*0,25

• ИМ – итоговая мощность

Далее – расчёт, какой процент от используемой в месяц электроэнергии покрывает ИМ (в процентах). Например, если в месяц используется 200 кВт, а итоговая мощность СЭС равна 180 кВт, тогда СЭС будет покрывать 90% расходов на электроэнергию, а остальные 10% брать из централизованной сети. Следовательно, будут уменьшаться затраты на электроэнергию. Более того, если ИМ превышает количество используемой электроэнергии в месяц, то остатки энергии будут отдаваться в централизованную сеть. Можно заключить договор, позволяющий владельцу отдавать остатки энергии в сеть и взамен получать дополнительную плату от компании, в которую была отдана электроэнергия (рис. 6).

* Calculating!$D$71 – это потребление в месяц кВт*ч в июне.

По итогам расчёта можно с уверенностью сказать, что в июне покрывается как минимум 72% от затрат на электроэнергию, в декабре – намного меньше, однако небольшой процент от затрат СЭС всё же покрывает.

Кроме того, нужно было рассчитать, сколько в месяц (декабрь/июнь) можно сэкономить, используя СЭС. Эти данные высчитывались из стоимости электроэнергии в месяц и процента покрытия расходов в месяц. К примеру, можно посчитать, сколько в июне сэкономят частные лица, использующие СЭС в республике Адыгея. Средняя стоимость электроэнергии в месяц в данном регионе – 1915 рублей, процент покрытия расходов в июне – 0,97. Соответственно, вместо 1915 рублей владелец СЭС заплатит (1915*(1-0,97) = 57,45 рублей. Экономия составит 1857 рублей. Такой расчёт проводится для всех регионов европейской части Российской Федерации (рис. 7 – показаны только 12 регионов).

В итоге был проведён анализ, за сколько лет окупится установка СЭС. По данным, найденным на сайте компании «Хевел», стоимость и установка СЭС мощностью 5 кВт обойдётся частному лицу в 283000 рублей. Для расчёта срока окупаемости было взято среднее значение по экономии в месяц в декабре/июне, рассчитана экономия в год и вычислено, сколько лет будут окупаться затраты. В среднем по регионам срок окупаемости составил 22 года, в особенно солнечных регионах – 16 лет.

Работа с данными в QGIS
Следующими этапами работы были создание векторной картографической основы и перенос полученных данных в геоинформационную систему QGIS; работа с пространственными данными и установка индексов регионов; оформление макетов карт и условных обозначений. На рисунке 8 показана инсоляция в июне, визуализированная в QGIS.

Результаты работы/выводы

В результате получилось 6 макетов карт:

• 2 макета – инсоляция в декабре/июне;
• 2 макета – экономия в месяц за счёт установки СЭС (декабрь/июнь);
• 1 макет – стоимость электроэнергии в месяц;
• 1 макет – срок окупаемости СЭС.

Самый основной макет – срок окупаемости затрат на установку СЭС. По макету карты видно, что быстрее всего окупятся СЭС в таких регионах, как Архангельская область, Калмыкия, Ставропольский край, Астраханская область, Севастополь и Адыгея. Соответственно, эффективнее всего устанавливать СЭС именно в этих регионах.

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем планируется корректировка точности исследований и создание аналогичных карт для альтернативных источников энергии. 

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

РТУ МИРЭА

Награды/достижения

«Курчатовский проект» – участник заключительного этапа

Мнение автора

«Я не пожалела, что пошла на Открытую городскую научно-практическую конференцию «Инженеры будущего». Хорошая организация, отличная комиссия и приятная атмосфера!»