Потенциал солнечной энергии на территории России по данным работы [1] оценивается в 12,5 млн т условного топлива в год. Перспективы использования энергетического потенциала солнечного излучения на территории России рассмотрены во многих работах [2–4]. Результаты оценки ресурсов солнечной энергии Арктической зоны Российской Федерации представлены в статье [5].

Прогноз развития возобновляемой энергетики потребителей децентрализованной зоны приведен в работе [6]. При этом заслуживает внимания изучение альтернативных вариантов автономного энергоснабжения [7]. Системы солнечного теплоснабжения могут быть рекомендованы для повышения комфортности проживания на удаленных стоянках оленеводов, рыбаков, старателей, туристов, сенокосцев, сельскохозяйственных ферм, коневодческих бригад и т.д. [8].

Целесообразность внедрения необходимости использования солнечной энергии для автономного электро- и теплоснабжения потребителей и развитии распределенной энергетики с применением возобновляемых источников энергии рассмотрены также в работах [9–11].

Гелиоэнергетические ресурсы конкретной территории зависят от ее географических и климатических характеристик [12].

Основной целью данной работы является исследование экономической эффективности и целесообразности использования гелиоэнергетических установок для тепло- и электроснабжения п. Чокурдах Аллаиховского улуса Республики Саха (Якутии). В настоящее время жители поселка обеспечиваются электроэнергией от дизельной электростанции мощностью 7,8 МВт, тепловой энергией – от шести котельных суммарной мощностью около 32 Гкал/ч. В качестве топлива в котельных используется сырая нефть.

Материалы и методы исследования

Основой для проведения исследований послужили методические рекомендации по оценке экономической эффективности применения возобновляемых источников энергии в зоне децентрализованного электроснабжения [13].

Природные условия п. Чокурдах. Территория характеризуется повсеместным распространением сплошных многолетнемерзлых пород, лишь в некоторых местах нарушенной весьма ограниченными по площади таликами. В арктической части наибольшая мощность мерзлоты по данным [14] составляет 1500 м. На остальной территории она достигает 700–1000 м.

Радиационный баланс, давление воздуха. В арктической зоне существуют большие различия в продолжительности солнечного освещения в зимний и летний периоды. В связи с этим ведущим климатообразующим фактором являются радиационные процессы.

Летом облачность намного снижает приток прямой солнечной радиации. Но в то же время сильно возрастает рассеянная радиация, в результате суммарный приток радиации увеличивается.

Температура воздуха. С распределением давления и ветров тесно связаны закономерности и в распределении температуры воздуха в течение года. Для низинных пространств побережья, где сказывается умеряющее воздействие обширных акваторий, характерны более высокие зимние и низкие летние температуры, чем в континентальных областях. На прибрежных станциях средние месячные температуры июля и августа, как и зимних месяцев, незначительно отличаются друг от друга.

Анализ распределения средних месячных температур самого теплого и самого холодного месяцев показывает, что для низменных равнин севера и невысокого плоскогорья характерен плавный их ход. Средние январские температуры воздуха исследуемой территории не выходят за пределы -32–36 °С. Средние температуры июля сравнительно высоки и достигают 8–12 °С. Положительные температуры чаще всего устанавливаются в середине первой декады июня, причем заморозки наблюдаются до конца этого месяца. Продолжительность периода со средней суточной температурой выше 0 °С в районе п. Чокурдах составляет 75 дней [15].

Влажность, осадки. За изменением температуры следует годовой ход абсолютной влажности воздуха, которая зимой в Северной Якутии не превышает 1 Мб. [15]. Среднемесячные величины несколько возрастают летом и уменьшаются зимой, что обусловлено обилием влаги в тундре в теплое время года. Большая часть годовой суммы осадков выпадаем летом.

Ветер. В холодный период на большей части территории господствуют южные, летом северо-восточные ветры.

Оценка показателей гелиопотенциала. Оценка эффективности использования солнечного излучения для энергоснабжения потребителей п. Чокурдах проведена по показателям прихода солнечной радиации на метеостанции о. Мостах (бух. Тикси), вследствие ее расположения в тех же широтах и нахождения за Полярным кругом.

Наличие полярных дня и ночи обуславливает крайне неравномерные поступления солнечного тепла в течение года. Для более эффективного использования гелиопотенциала на территориях, расположенных в высоких широтах, приемники размещают наклонно под углом, равным широте местности, с возможностью сезонной корректировки наклона. Однако при значительных площадях принимающих поверхностей их сезонная корректировка практически сложно реализуема, в отличие от небольших поверхностей для мелких потребителей (индивидуальных домов, метеостанций и т.п.).

Результаты исследования и их обсуждение

Для оценки производительности гелиоустановок для условий п. Чокурдах из приводимых в справочниках данных солнечной радиации на горизонтальную и перпендикулярную поверхности проведен пересчет этой величины на наклонную поверхность.

На рис. 1 представлено изменение в течение года солнечной радиации, падающей на горизонтальную, перпендикулярную и наклонную к солнцу поверхности для п. Чокурдах.

Продолжительность солнечного сияния составляет 1616 ч/год, годовой приход радиации на горизонтальную поверхность – 315 кВт·ч/м2, за счет использования наклонной поверхности гелиоприемников его значение увеличивается до 596 кВт·ч/м2.

Снижение солнечной радиации в июне по сравнению с другими летними месяцами объясняется атмосферными особенностями сезона и местности.

Расчет возможной выработки тепловой и электрической энергии гелиоустановками. В расчетах приняты неподвижные установки, закрепленные под углом широты местности и ориентированные на юг.

Выработка тепловой энергии солнечным коллектором (Гкал/м2) и электрической энергии фотоэлектрическим преобразователем (кВт·ч/м2) определяется по формуле

W = η·Sнакл,

где η – коэффициент полезного действия гелиоустановки (для солнечного коллектора (СК) составляет 50–60 %, для фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) – 10–20 % в зависимости от технико-экономических показателей различных фирм-изготовителей).

Рис. 1. Приход солнечной радиации в п. Чокурдах в течение года

Рис. 2. Выработка тепловой энергии 1 м2 солнечного коллектора в течение года для условий п. Чокурдах, Гкал/м2 в месяц

Рис. 3. Выработка электроэнергии 1 м2 фотоэлектрического преобразователя в течение года для условий п. Чокурдах, кВт·ч/м2 в месяц

Рис. 4. Совмещение графиков потребления и выработки тепловой энергии ССТ (1615 м2)

Расчеты выработки производились для трех значений η – минимального, максимального и среднего: для СК η = 50, 54 и 60 %, для ФЭП – η = 10, 15 и 20 %.

На рис. 2 и 3 представлена выработка тепловой энергии СК и электрической энергии ФЭП по месяцам в течение года при различных КПД.

Крайне высокая неравномерность проявления гелиопотенциала в течение года влияет на эффективность его использования, так как максимальное потребление тепловой и электрической энергии наблюдается именно в зимний период, когда показатели гелиопотенциала минимальны.

Оценка экономической эффективности применения системы солнечного теплоснабжения и фотоэлектрической станции. Для оценки эффективности использования солнечной энергии на цели энергоснабжения в условиях п. Чокурдах в расчетах приняты следующие исходные данные:

- ранее определенные по справочным данным и рассчитанные для наклонной поверхности гелиоприемников показатели потенциала солнечной энергии;

- расчетная выработка энергии солнечным коллектором и фотоэлектрическим преобразователем при средних значениях КПД – 54 и 15 % соответственно;

- график отпуска тепловой энергии от котельной № 5 п. Чокурдах;

- график потребления электроэнергии от ДЭС п. Чокурдах;

- стоимостные показатели гелиоэнергетических установок;

- цены на дизельное топливо и сырую нефть в п. Чокурдах в 2020 г.

Система солнечного теплоснабжения. В исследовании рассмотрено обеспечение от системы солнечного теплоснабжения (ССТ) только потребности горячего водоснабжения присоединенной нагрузки от котельной № 5. Расчеты проведены для двух вариантов: одноконтурной системы для использования в безморозный период на основе плоских солнечных коллекторов и двухконтурной для круглогодичного использования на основе вакуумных коллекторов. Потребность в тепловой энергии на цели горячего водоснабжения от котельной № 5 оценивается порядка 42 Гкал/месяц. На рис. 4 представлено совмещение графиков потребления и выработка тепловой энергии системой солнечного теплоснабжения, состоящей из СК расчетной площадью 1615 м2, полученной исходя из максимально полезного использования выработки тепловой энергии.

В течение трех летних месяцев (июнь – август) на цели горячего водоснабжения потребуется 126 Гкал. Для выработки этого количества энергии на котельной при удельном расходе топлива 170 кг у.т./Гкал (по данным ГУП ЖКХ Республики Саха (Якутия) необходимо израсходовать 15 т сырой нефти. Полезный отпуск тепловой энергии от двухконтурной системы в течение года составит 365 Гкал. Простой срок окупаемости системы солнечного теплоснабжения за счет объема вытесненного топлива зависит от стоимости оборудования и составляет 40–60 лет (табл. 1).

Фотоэлектрическая станция. Для оценки экономической эффективности строительства фотоэлектрической станции (ФЭС) выполнено совмещение графиков потребления и возможной выработки электроэнергии ФЭП. Расчетная площадь гелиоприемников, исходя из максимально полезного использования выработки ФЭП при КПД = 15 %, составляет 30 тыс. м2 (рис. 5). Суммарная мощность такой станции – 4,6 МВт.

Оценка эффективности проведена для двух вариантов компоновки электростанции: с аккумуляторными батареями (АБ) и без таковых. Полезный отпуск электроэнергии от ФЭС оценивается в 2 млн кВт·ч, при удельном расходе топлива 380 г у.т./кВт·ч (по данным Сахаэнерго) на ДЭС объем вытесненного дизельного топлива составит 525 т. Простой срок окупаемости фотоэлектрической станции с аккумулированием энергии более чем в 2 раза превосходит этот показатель в варианте без аккумулирования и составляет 22,8 лет, что обусловлено более высокой стоимостью оборудования (табл. 2).

Таблица 1

Технико-экономические характеристики системы солнечного теплоснабжения

Рис. 5. Совмещение графиков потребления и выработка электроэнергии ФЭП (30 тыс. м2)

Таблица 2

Технико-экономические показатели фотоэлектрической станции

Примечание. * – без учета улучшения режима работы ДЭС.

Выводы

Результаты проведенных на примере п. Чокурдах Аллаиховского улуса Республики Саха (Якутии) исследований позволяют сделать вывод о приоритетности в современных ценовых условиях использования солнечной энергии на цели электроснабжения в арктической зоне восточных регионов РФ по сравнению с теплоснабжением. Расчетный срок окупаемости строительства фотоэлектрической станции оценивается в 11–23 года, системы солнечного теплоснабжения – в 40–60 лет, что объясняется природными условиями, капиталоемкостью оборудования и соотношением цен на дизельное топливо и сырую нефть.

Исследование выполнено в рамках проектов госзадания XI.174.2.3 (рег. № АААА-А17-117030310439-8), XI.174.2.4 (рег. № АААА-А17-117052210035-2) фундаментальных исследований СО РАН и по материалам подготовки Схемы и программы развития электроэнергетики Республики Саха (Якутии) на 2020–2024 гг.