close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C4FB7D70F

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Рафикова Юлия Юрьевна
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ
РЕСУРСОВ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
(НА ПРИМЕРЕ ЮГА РОССИИ)
25.00.33 – картография
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата географических наук
Москва – 2015
1
Работа выполнена на кафедре картографии и геоинформатики географического
факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Научный руководитель
Новаковский Богуслав Августович
доктор географических наук,
профессор кафедры картографии и геоинформатики
географического факультета МГУ имени
М.В. Ломоносова, заведующий учебно-научной
лабораторией цифровой картографии и
фотограмметрии, заслуженный профессор МГУ
Официальные оппоненты
Верещака Тамара Васильевна
доктор технических наук,
профессор, заведующая кафедрой картографии
Московского государственного университета
геодезии и картографии (МИИГАиК)
Капралов Евгений Геннадьевич
кандидат географических наук,
доцент, заведующий кафедрой картографии и
геоинформатики Института наук о Земле СанктПетербургского государственного университета
Ведущая организация
Институт географии РАН
Защита состоится 21 января 2016 года в 15 часов на заседании диссертационного
совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криологии Земли,
картографии (Д-501.001.61) в Московском государственном университете имени
М.В.Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ,
географический факультет.
С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки
Московского Государственного Университета имени М.В.Ломоносова по адресу:
119991, г. Москва, Ломоносовский проспект, д.27, А8.
Автореферат разослан « » ноября 2015 г. Отзывы на автореферат (в двух
экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим отправлять по адресу: 119991,
г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М.В.Ломоносова, географический
факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д-501.001.61, факс (495)932-8836, e-mail: malyn2006@yandex.ru, факс +7(495)932-88-36
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат географических наук
А.
2
Л. Шныпарков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Развитие возобновляемой энергетики в
России в настоящее время требует решения не только технологических задач,
принятия законодательных актов, обеспечения государственной финансовой
поддержки проектов, но и обоснования вопросов, связанных с анализом ресурсов
различных видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на территории
России.
К возобновляемым источникам энергии обычно относят источники:
солнечного происхождения (энергия солнечной радиации, гидравлическая
энергия рек, энергия ветра, энергия биомассы, энергия океана), несолнечного
происхождения (геотермальная энергия, энергия приливов), различные отходы и
источники низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами.
Поскольку перечень видов ВИЭ очень широк и неоднотипен в
представленной работе выбраны для детального рассмотрения ресурсы солнечной
и ветровой энергии.
В настоящее время накоплены обширные массивы данных, в той или иной
степени обеспечивающие фактическую основу для исследований в области
возобновляемой энергетики (ВЭ). При этом помимо проблемы верификации этих
данных, анализа адекватности методов их получения, существуют сложности их
визуального наглядного отображения в удобной для анализа форме. Важной
задачей является их аккумулирование в виде баз данных, а также
картографирование потенциала ВИЭ для различных регионов страны.
Помимо научного и методического значения, такие исследования имеют
большую практическую востребованность, поскольку базы данных и ГИС
должны стать важным инструментом анализа эффективности практического
использования ВИЭ в различных регионах России и принятия обоснованных
технических и управленческих решений.
Актуальность работы определяется необходимостью создания методик
картографирования ресурсного потенциала ВИЭ, с учетом полного спектра
предпосылок и ограничений развития ВЭ на региональном уровне. На этой основе
возможно осуществлять районирование территорий с целью выбора наиболее
перспективных площадок для развития возобновляемой энергетики.
Цель исследования - разработка методики картографического обеспечения
комплексной оценки ресурсов возобновляемых источников энергии на
региональном уровне.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих
теоретических и практических вопросов:
• Анализ и обобщение зарубежного и отечественного опыта
геоинформационного картографирования ресурсов возобновляемых источников
3
энергии, источников данных и существующих методик расчетов ресурсного
потенциала.
• Обоснование тематики карт для обеспечения оценки ресурсов ВИЭ.
• Определение и обоснование критериев, влияющих на использование
природных ресурсов ВИЭ, для выполнения районирования территории по степени
пригодности для размещения объектов ВЭ.
• Разработка структуры картографического обеспечения в виде серии карт
для оценки ресурсного потенциала солнечной и ветровой энергии, определения
территорий наиболее перспективных для размещения объектов на ВИЭ.
Апробация разработанной методики на тестовом регионе.
Научная новизна работы. Впервые разработана комплексная методика
картографирования ресурсов солнечной и ветровой энергии регионального уровня
с учетом экологических и социально-экономических факторов, влияющих на
размещение объектов ВИЭ. Методика обеспечивает обоснованный поиск и
выделение территорий, наиболее перспективных для размещения ветровых и
солнечных станций.
Основные защищаемые положения.
1. Доказано, что методика картографического обеспечения комплексной
региональной оценки ресурсов возобновляемых источников энергии,
разработанная на основе геоинформационного картографирования природного и
технического энергопотенциала, учитывающая факторы, ограничивающие и
влияющие на развитие возобновляемой энергетики в регионе, обеспечивает
выделение территорий, перспективных для размещения объектов возобновляемой
энергетики.
2. Предложено и обосновано тематическое содержание карт,
сопровождающих оценку ресурсов возобновляемых источников энергии на
региональном уровне. Серия карт делится на блоки: 1) карты природных ресурсов
ВИЭ; 2) карты валового и технического потенциала ВИЭ; 3) карты факторов,
влияющих на возможность использования энергопотенциала.
3. Для регионального уровня оценок и картографирования ресурсов
солнечной и ветровой энергии показана целесообразность комплексного
использования данных наземных метеостанций и результатов пространственного
метеорологического моделирования.
Методы исследования. Диссертационное исследование основано на
фундаментальных работах в области картографии и геоинформатики. Для
достижения
поставленной
цели
использованы
следующие
методы:
картографический,
геоинформационный,
математико-картографического
моделирования, статистический.
4
Общегеографическое обоснование карт базируется на работах К.А.
Салищева, А.М. Берлянта, И.П. Заруцкой, Т.В. Верещака, А.А.Медведева,
Т.Г. Сватковой, В.И. Стурмана, С.В. Чистова, А.И. Прасоловой и других. Для
оценок ресурсного потенциала территорий использованы картографический
метод исследования, методы комплексного и атласного картографирования.
Геоинформационная составляющая опирается на разработки И.К. Лурье,
В.С. Тикунова, Е.Г. Капралова, Б.А. Новаковского, А.В. Кошкарева. В работе
применялись методы исследования по теории баз данных, автоматизированному
картографированию с применением географических информационных систем.
В основе диссертации лежат авторские исследования в период с 2009 по
2015 гг., выполненные в рамках работ научно-исследовательской лаборатории
возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ имени
М.В. Ломоносова.
Использованные материалы (информационная база). В качестве
исходных данных в работе были использованы:
1) данные многолетних наземных измерений на метеостанциях и
актинометрических станциях Юга России;
2) результаты пространственного метеорологического моделирования базы
данных NASA «Surface meteorology and Solar Energy»;
3) статистическая
информация
об
электропотреблении
населения,
демографических характеристиках, предоставляемая федеральной службой
государственной статистики РФ;
4) топографические карты различных масштабов;
5) разнообразные тематические карты масштаба 1:2 500 000;
6) данные об объектах возобновляемой энергетики на территории РФ,
собираемые в рамках проекта создания ГИС «ВИЭ России».
Практическая значимость. Одним из ограничителей развития ВЭ в России
и мире является недостаток методической базы, необходимой для максимально
точного анализа и прогноза ресурсного потенциала территорий и выделения
районов, обладающих наиболее благоприятными условиями для внедрения
систем и установок на ВИЭ.
На этапе становления возобновляемой энергетики в стране применение
разработанной методики комплексного картографирования ресурсов ВИЭ
особенно важно. Ее внедрение может быть реализовано при составлении
информационной
базы
для
долгосрочного
планирования
развития
энергетического сектора, при региональном планировании территорий органами
государственного и местного управления, для создания нормативов по
проведению проектировочных работ при размещении и строительстве объектов
солнечной и ветровой энергетики на территории РФ.
5
При проектировании энергоустановок, работающих на ВИЭ, важным
аспектом является расчет энергетического баланса разрабатываемой системы,
прогноз эффективности с учетом климатических условий местности, учет
факторов, влияющих на возможность размещения энергоустановки, - всѐ это
реализовано в работе. Также важным является то, что использование методики не
ограничивается регионом исследования.
Внедрение. Отдельные результаты исследования реализованы в рамках
государственного контракта НОЦ № 14.740.11.0096 («Поисковые исследования
эффективных технологий использования ВИЭ и разработка геоинформационной
системы ―Возобновляемые источники энергии России‖», 2009-2013 гг.) и гранта
РФФИ
13-08-01186 («Разработка научных основ проектирования систем
автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии с
учетом климатических условий регионов России с использованием баз данных
геоинформационной системы «Возобновляемые источники энергии России»»,
2013-2015 гг.).
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования
докладывались:
- на международных научных конференциях: Межд. научно-практ.
конференция «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние,
проблемы и пути решения» (Санкт-Петербург, 2010), Международная
междисциплинарная конференция Европейского научного фонда «Глобальное
изменение климата II: экологический кризис, вопросы энергетики и глобального
управления» (Франция, 2010), II Межд. конференция «Возобновляемая
энергетика: проблемы и перспективы» (Махачкала, 2010), 2-ая and 3-я Европейская
энергетическая конференция (Нидерланды, 2012; Венгрия, 2013), Х Межд.
Ежегодная конференция «Возобновляемая и малая энергетика-2013» (Москва,
2013), I Международный форум «Возобновляемая энергетика: пути повышения
энергетической и экономической эффективности» (REENFOR-2013) (Москва,
2013), 3-я Международная конференция «ГИС и дистанционное зондирование»
(Армения, 2014), Межд. конгресс IGU-2015 (Москва, 2015).
- на российских научных конференциях: Всерос. научно-практ. конференция
«Перспективы развития децентрализованной энергетики в ЮФО» (Ростов-наДону, 2010), Всерос. молодежная школа «Современные проблемы географии и
гидрологии суши» (Красновидово, 2010), VII, VIII и IX научн. молод. школа с
межд. участием «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2010, 2012,
2014), IV Школа молодых ученых «Актуальные проблемы освоения
возобновляемых энергоресурсов» (Махачкала, 2011), Конф. с межд. уч.
«Ресурсоэнергосбережение в строительстве и системах жизнеобеспечения
урбанизированных и малонаселенных территорий» (Иркутск, 2012), Межд.
6
научно-практ. конф. «Рациональное природопользование: традиции и инновации»
(Москва, 2012), ИнтерКарто-ИнтерГИС – 17 и 18: Устойчивое развитие
территорий: теория ГИС и практический опыт (2011 и 2012), Практическая
конференция с межд. участием сообщества природоохранных ГИС
"Использование ГИС и данных дистанционного зондирования Земли для охраны
природы" (Москва, 2013).
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 6 – в
журналах, рекомендованных ВАК, 2 – в зарубежных рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
трех глав, заключения, списка литературы (116 наименований) и приложений.
Материал работы изложен на 177 страницах машинописного текста, содержит 9
таблиц, 34 карты, кроме того 14 иллюстраций и 6 приложений.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному
руководителю, д.г.н. Б.А.Новаковскому за помощь в проведении исследований,
чуткое руководство и обучение навыкам самостоятельной научной работы, к.ф.м.н. С.В.Киселевой за участие, поддержку и всестороннее содействие на всех
этапах диссертационного исследования. Автор выражает признательность
коллективу кафедры картографии и геоинформатики, еѐ заведующей д.г.н.
И.К.Лурье за конструктивную критику и поддержку в подготовке
диссертационной работы. Автор приносит сердечную и искреннюю
благодарность д.ф.-м.н. А.А.Соловьѐву, к.ф.-м.н. С.И. Зайцеву, к.б.н. Н.И.
Черновой, к.г.н. Л.В. Нефедовой, В.А. Никитиной, а также всему коллективу
научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии за
постоянную поддержку и помощь, к.ф.-м.н. С.Е.Фриду за предоставленные
материалы моделирования, Н.С.Петуховой за помощь в обработке материалов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована
цель исследования, охарактеризована научная новизна и практическая значимость
исследования, приведены сведения об апробации и внедрении результатов
диссертационного исследования.
Глава 1. Пространственный анализ в возобновляемой энергетике
Цель первой главы - обзор зарубежного и отечественного опыта
геоинформационного картографирования ресурсов возобновляемых источников
энергии, а также анализ источников данных и существующих методик расчетов,
используемых для оценок ресурсного потенциала.
7
В работе показано, что развитие геоинформационного картографирования
ресурсов ВИЭ за рубежом востребовано в связи с бурным развитием
возобновляемой энергетики. В России также обозначилась эта потребность в
последние годы, но в связи с тем, что масштабы возобновляемой энергетики в
нашей стране меньше, особая заинтересованность возникает на региональном
уровне, где сказывается недостаток информации по возобновляемой энергетике, и
инструментов, позволяющих эту информацию анализировать.
Карты зарубежных коллег, созданные для целей возобновляемой
энергетики, имеют различный уровень охвата территории (локальные,
региональные, национальные, всемирные), тематическую направленность
(ветровая-солнечная-геотермальная энергетика и др. или комплексные); основаны
на данных различной генерализации (данные в каждой точки сетки – данные,
относящиеся к региону в целом); предоставляют пользователю доступ к
исходным данным либо предлагают результаты оценок без описания
использованных методов; являются открытым ресурсом или коммерческим
проектом.
Проведенный анализ позволил выявить наиболее актуальные направления
исследований для отечественных разработок в этой области, а специфика
развития возобновляемой энергетики в России заставляет разрабатывать и
использовать также уникальные подходы в методах оценок, картографирования и
анализа. Важной спецификой территории РФ является применение ВИЭ в
автономном энергоснабжении или в локальной сети. В мировом опыте развитие
ВЭ зачастую происходит в районах, где уже существует электрическая сеть и это
является одним из основополагающих критериев выбора территорий для
размещения объектов на ВИЭ. Но для РФ важно составление ресурсных карт с
учетом автономного энергообеспечения на ВИЭ. Также важен масштаб
исследований, т.к. интерес к ВИЭ сейчас большей частью проявляется со стороны
регионов.
В Российской Федерации опыт картографирования ресурсов ВИЭ
представлен нерепрезентативным материалом, не смотря на имеющийся опыт в
оценках ресурсов солнечной и ветровой энергии и наличии справочных
материалов. Кроме того ранее анализ ресурсов солнечной и ветровой энергетики
проводился на основе данных метеорологических измерений, которые зачастую
не обеспечивают необходимый охват территории и необходимый состав
исходных данных (Борисенко М.М., Стадник В.В., 1997).
В работах последних лет, проводимых совместно научно-исследовательской
лабораторией ВИЭ МГУ и лабораторией ВИЭ ОИВТ РАН, было начато активное
использование для оценки и картографирования ресурсов ветровой и солнечной
энергии данных пространственного метеорологического моделирования (Попель
8
О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н., Лисицкая Н.В.).
Этими же коллективами ведутся исследования в области разработки
геоинформационной системы по возобновляемой энергетики для территории
России. В то же время в этих работах при формировании ресурсной базы не
учитывались экологические и социально-экономические факторы, которые могут
ограничивать использование возобновляемых источников энергии, что является
чрезвычайно важным при проектировании систем и установок на ВИЭ в
масштабах региона.
Существующие в мире методики картографирования энергетического
потенциала ВИЭ на сегодняшний день не достаточно проработаны и
малоприменимы для территории России, в связи с большой неоднородностью
природных, экологических, экономических и социальных процессов. Задача
разработки методики комплексного геоинформационного картографирования
ресурсов возобновляемых источников энергии, выявления и ранжирования
факторов, влияющих на возможность использование ресурсов ВИЭ в пределах
выбранной территории в России ставится впервые и имеет важное научное и
практическое значение для обеспечения развития современных экологически
чистых энергетических технологий в централизованной и автономной энергетике.
В первой главе показано, что при оценках энергопотенциала ВИЭ
целесообразно и необходимо составление и анализ разномасштабного
картографического материала различной тематики. При оценке ресурсов
солнечной и ветровой энергии посредством традиционных методик имеется либо
обширный массив данных (измерения метеостанций), который зачастую
относится к району, значительно удаленному от точки предполагаемого
сооружения ветростанции, либо подробные и достоверные данные измерений,
привязанные к интересующему пункту (данные ветромониторинга), однако
совершенно недостаточные с точки зрения протяженности временных рядов.
Поэтому в работе произведен сравнительный анализ различных источников
данных, обосновано и принято целесообразным использовать в качестве
источника данных о характеристиках солнечной и ветровой энергии результаты
пространственного метеорологического моделирования с целью получения более
детальных массивов данных.
Глава 2. Методика геоинформационного картографирования ресурсов
возобновляемых источников энергии
Цель второй главы - разработка методики геоинформационного
картографирования для обеспечения оценок ресурсного потенциала солнечной и
9
ветровой энергии. Особое внимание в методике было уделено анализу и
обобщению факторов, влияющих, ограничивающих или препятствующих
использованию ресурсов ВИЭ.
Для получения объективного представления ресурсной базы ветровой и
солнечной энергетики очевидным в настоящее время является недостаток
адекватных исходных данных и, следовательно, необходимость разработки и
анализа методов интерполяции и картографирования широкого перечня
характеристик солнечной и ветровой энергии, в том числе производных
(расчетных) величин.
Автором предложена методика картографирования, основанная не только
на существующих в настоящее время нормативных документах, но и на опыте
проектирующих компаний, работающих на территории России, а также
классических географических и картографических методах.
Последовательность оценки и картографирования ресурсов и потенциалов
солнечной и ветровой энергии представлена на рисунке 1.
Оценку ресурсного потенциала территорий целесообразно выполнять в
несколько этапов. На первом этапе созданию детального картографического
материала предшествует анализ данных о характеристиках того или иного ВИЭ и
их верификация на заданной территории. В первую очередь необходимо
проведение детального анализа пространственного распределения характеристик
природного ресурса.
На 2-ом этапе целесообразно исследование пространственного
распределения валового и технического потенциала в регионе, рассчитанных на
основе существующих методик оценки и технических характеристик
современных энергоустановок.
На 3-м этапе выполняется анализ факторов и районирование территории по
перспективности развития ВЭ и размещения на ней энергообъектов на ВИЭ.
Соответственно, тематика карт, необходимых для обеспечения таких оценок,
подразделяется на 3 блока:
 карты природных ресурсов ВИЭ;
 карты валового и технического потенциала ВИЭ;
 карты факторов и ограничений, влияющих на размещение объектов на
ВИЭ.
Первый блок карт - карты природного ресурса ВИЭ - должен отражать
характеристики ветровой и солнечной энергии по данным:
1. наземных метеорологических и актинометрических станций;
2. результатам
пространственного
метеорологического
моделирования
характеристик ветровой и солнечной энергии;
3. данным локального ветромониторинга (при наличии таковых).
10
Второй блок карт – карты валового и технического потенциала ВИЭ –
основан
на
результатах
расчетов
и
моделирования
прогнозной
производительности энергетических установок, работающих на энергии солнца и
ветра.
Рис 1. Последовательность оценки и картографирования ресурсов ВИЭ
Особое значение в работе уделено анализу методик расчета потенциала
ветровой и солнечной энергии, каковых на сегодняшний день существует
достаточно много и от выбора которых зависит достоверность получаемого
картографического материала.
В работе в качестве характеристик технического потенциала ветровой
энергии использованы средняя мощность Wуд (или энергия Эуд) воздушной струи с
11
единичной площадью поперечного сечения (где Т – это время, pv(V) – функция
плотности вероятности для скорости ветра):
Wуд 

Vmax
2
Эуд  T

2

V3 p (V ) dV ,
0
Vmax
V
3

pV (V ) dV
0
и производительность ветродвигателя
изменения мощности от скорости ветра W (V ) :
Q T
Vmax
 W (V
B

Q с заданной
) pV (V ) dV  S BK   maxT
0

2
зависимостью
Vmax
V
3

pV (V ) dV
0
(здесь SВК, η, ξmax – характеристики ветроустановки, ρ – плотность воздуха,
V∞ - скорость ветра) (Игнатьев С.Г., Киселева С.В., 2010).
Технический потенциал солнечной энергии был выражен эффективностью
солнечных водонагревательных установок (СВУ) и фотоэлектрических модулей.
Показатели эффективности СВУ были оценены на основе моделирования работы
солнечных установок в реальных климатических условиях с использованием
необходимых характеристик используемого в них оборудования. Математические
модели разработаны в лаборатории ВИЭ ОИВТ РАН. Подробное описание
моделей не является предметом настоящей работы.
Отдельно в главе 2 проанализированы особенности интерполяции
характеристик ветровой и солнечной энергии. Для получения объективного
представления ресурсной базы ветровой и солнечной энергетики очевидным в
настоящее время является недостаток адекватных исходных данных и,
следовательно, необходимость использования интерполяции данных при
картографировании характеристик солнечной и ветровой энергии, в том числе
производных (расчетных) величин. При этом определено, что для территории
Юга России оптимальным методом интерполяции значений солнечной радиации
является метод сплайнов, а для интерполяция характеристик ветровой энергии –
метод обратно взвешенных расстояний с учетом шероховатости поверхности.
Третий блок карт - карты факторов и ограничений, влияющих на
размещение объектов на ВИЭ - должен отражать обширный перечень факторов,
влияющих на размещение объектов солнечной и ветровой энергетики. Они были
разделены на несколько основных групп: природные, экологические,
технические, экономические и социальные (рис. 2).
Результатом проведенной оценки территории должны быть комплексные
карты пригодности и перспективности региона для размещения объектов
солнечной и ветровой энергетики различного масштаба.
12
ФАКТОРЫ,
ВЛИЯЮЩИЕ НА
РАЗМЕЩЕНИЕ
ОБЪЕКТОВ НА ВИЭ
ПРИРОДНЫЕ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
-рельеф
-гидрографическая сеть
-опасные
геологические
процессы
(оползни,
карст,
подтопление)
- ООПТ
- ключевые
орнитологичес
кие
территории
- памятники
культуры
-территории
сельхоз
земель
и т.п.
ТЕХНИЧЕСКИЕ
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
СОЦИАЛЬНЫЕ
- характеристики
установок на
ВИЭ
- наличие
производственной базы
- наличие и
удаленность
дорожной сети
- линии
электропередач
- объекты
электрогенерации
-законодательная
база
- стоимость
электроэнергии
потенциальные
потребители
- занятость
населения
-демография
- наличие
научной базы и
специалистов
и т.д.
Рис. 2. Типизация факторов, влияющих на размещение объектов на ВИЭ
Только составление и комплексный анализ различного картографического
материала позволяют приблизить региональные оценки ресурсов возобновляемой
энергетики к реальности и обеспечить принятие наиболее обоснованных решений
по размещению объектов ВЭ.
Глава 3. Оценка и картографирование ресурсов ветровой и солнечной
энергии для территории Юга России
В третьей главе представлены результаты апробации разработанной
методики для территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов.
Регион Юга России перспективен для развития возобновляемой энергетике как по
наличию природного (рис. 3) и технического (рис. 4) потенциала солнечной и
ветровой энергии, так и по наличию опыта реализации проектов на ВИЭ.
В ходе проведенного анализа потенциалов солнечной и ветровой энергии на
территории Юга России было составлено:
13
• 4 карты природного потенциала ветровой энергии (средние скорости ветра
на высоте 10 и 50 м по данным наземных и спутниковых измерений,
повторяемость скоростей ветра);
Рис. 3. Одна из карт серии природного потенциала солнечной энергии
• 2 карты валового и технического потенциала ветровой энергии (энергия
воздушной струи единичной площади, расчетная производительность
ветроустановки заданного типа);
• 3 карты природного потенциала (суммарная суточная солнечная радиация –
значения суммарные за год, период апрель-октябрь и июнь-август);
• 6 карт валового потенциала солнечной энергии (прямая солнечная радиация
на различно ориентированные поверхности - значения суммарные за год, период
апрель-октябрь и июнь-август);
• 27 карт технического потенциала солнечной энергии (эффективность
работы водонагревательных установок 3 различных типов, рассчитанная для
14
стандартизированных температур горячего водоснабжения и различных периодов
осреднения – год, апрель-октябрь и июнь-август).
Рис. 4. Одна из карт серии технического потенциала солнечной энергии
На картах природного и технического потенциала была выделена
штриховкой территория Большого Кавказа, что связано с недостаточной
точностью моделей, используемых NASA для получения многолетних средних
значений характеристик солнечной и, в особенности, ветровой энергии для
территорий с сильно расчлененным рельефом.
В качестве тестовой территории для дальнейшего анализа факторов,
влияющих на размещение объектов ВЭ, была выбрана Волгоградская область, как
обладающая достаточным природным потенциалом ветровой и солнечной
энергии. Для выбранного региона были отобраны критерии оценки природных и
экологических факторов и проведено районирование по степени пригодности для
15
размещения объектов солнечной и ветровой энергетики, а также критерии оценки
социально-экономических предпосылок к развитию ВЭ. При районировании
учитывались факторы следующих типов: природные (рельеф, гидрология,
современные геологические процессы), экологические (особо охраняемые
природные территории, памятники природы и культуры, земли
сельскохозяйственного назначения с особыми условиями использования (сады,
леса), технические (наличие опыта реализации проектов на ВИЭ), социальные
(демография), экономические (динамика энергопотребления). Для большей
гибкости анализа критерии делились по нескольким уровням влияния на решение
(табл.1, 2), а также по размеру проектируемых энергообъектов.
Помимо комплексных карт пригодности (пример на рис. 5) для исследуемой
территории составлены карты учтенных при анализе факторов для обеспечения
экспертных оценок, а именно:
 карта земельных ресурсов;
 карта транспортных сетей;
 карта особо охраняемых территорий;
 карта населения;
 карта динамики энергопотребления.
Таблица 1
Ранжирование критериев по степени влияния на решение о размещении объекта
ВИЭ на выбранной территории
Степень ограничения
Баллы
Влияние на решение о размещении
объекта
строгое ограничение
3
строительство объекта на ВИЭ здесь
полностью запрещено
среднее ограничение
2
строительство теоретически запрещено,
но
может
быть
реализовано,
если
положительное воздействие объекта от
объекта будет достаточно высоко.
слабое ограничение
1
строительство может быть осуществлено
после
более
детальной
оценки
воздействия объекта на окружающую
среду
16
Таблица 2
Полный перечень ограничивающих критериев, учтенных при районировании
Волгоградской области по степени пригодности для размещения объектов солнечной и
ветровой энергетики (с учетом размера проекта)
Уровень ограничения
№ Ограничивающие критерии
(в баллах)
Форма
отображения
Буферная
Крупные
Мелкие
проекты
проекты
1
Природные парки
полигон
3
2
2
Природные заказники
полигон
3
2
3
Охраняемые ландшафты
полигон
3
2
4
Памятники природы
полигон
3
2
5
Земли лесного фонда
полигон
3
2
Районы с неблагоприятными
6
инженерно-геологическими
зона, м
2
полигон
2
полигон
3
3
линия
3
3
полигон
3
3
полигон
3
2
полигон
1
1
полигон
2
2
полигон
2
1
условиями (склоны)
7
8
9
10
11
12
13
Нелинейные гидрологические
объекты
Линейные гидрологические
объекты
Ключевые орнитологические
районы
Территории объектов
министерства обороны
Пашни, сенокосы
Леса, выгоны и пастбища,
пески, сады
Территории населенных
пунктов
150
14
Линии автодорог
линия
3
2
40
15
Линии железных дорог
линия
3
2
40
17
Рис. 5. Пример карты пригодности территории Волгоградской области для размещения
крупных объектов солнечной и ветровой энергетики мегаваттного класса
Апробация методики показала, что предложенный состав серии карт
достаточно полно обеспечивает оценку ресурсов солнечной и ветровой энергии на
региональном уровне. Совместный анализ карт природного и технического
потенциала позволяет оценить перспективы использования различных типов
энергетических установок на ВИЭ, провести сравнительный анализ ветровых
характеристик на различных высотах и значений солнечной радиации,
поступающей на поверхности с различными углами наклона и ориентацией,
определить прогнозируемую выработку тепловой и электрической энергии. При
18
этом первостепенным является использование всех доступных источников
данных и их сравнение.
Карты факторов и ограничений, влияющих на размещение объектов на
ВИЭ, позволяют определить площадки, наиболее перспективные для размещения
объектов солнечной и ветровой энергетики. При этом составление отдельных
карт, отражающих группы факторов, обеспечивают возможность уточнения,
какой именно тип ограничения присутствует на той или иной площадке, что
может облегчить поиск информационных материалов и их анализ на более
крупных масштабах при проектировании энергообъектов. Состав блока карт
факторов и ограничений может меняться в зависимости от природных,
климатических и других особенностей региона. При этом общая логика их
тематического содержания, изложенная в методике, не меняется.
Карты перспективности территории являются основным результатом
проведенной оценки. На них выделены площадки полностью непригодные для
размещения объектов на ВИЭ и с низкой степенью пригодности. Около 50%
территории имеют высокую степень пригодности по природным и экологическим
факторам, а также социально-экономические предпосылки к развитию ВЭ.
Вся серия карт в целом позволяет проводить оценку ресурсного потенциала
солнечной и ветровой энергии на региональном уровне с достаточным для этого
масштаба разрешением и достоверностью. Серия карт является информационной
основой для решения разнообразных задач регионального масштаба.
ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ
Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие
основные выводы диссертационной работы:
1.
В ходе теоретических исследований и экспериментальных работ была
достигнута
основная
цель
диссертации
–
разработана
методика
картографического обеспечения комплексной оценки ресурсов солнечной и
ветровой энергии на региональном уровне.
2.
Разработанная методика базируется на географических принципах
исследования территории и геоинформационном картографировании ресурсов
солнечной и ветровой энергии на региональном уровне (составлении
специализированной базы данных и серии карт). Весь этот комплекс обеспечивает
методологию создания информационной основы на всех этапах оценки ресурсов
ВЭ на региональном уровне.
19
Основные результаты диссертационного исследования состоят в
следующем:
•
На основе анализа существующего отечественного и зарубежного опыта
геоинформационного картографирования ресурсов возобновляемых источников
энергии, выявлено отсутствие эффективной методической базы для региональных
оценок территорий с недостаточно плотным распределением исходных данных о
характеристиках потенциала, а также проблемы учета широкого перечня
факторов, влияющих на размещение объектов ВЭ.
•
Разработана методика геоинформационного картографирования для
обеспечения оценок энергопотенциала солнечной и ветровой энергии на
региональном уровне, основанная на использовании сравнительного анализа
максимально доступного набора метеоданных с расчетом производительности
типовых энергоустановок на ВИЭ. Кроме того методика учитывает факторы,
влияющие на возможности использования природного ресурса: ограничения
использования территории и социально-экономические предпосылки к развитию
альтернативной энергетики.
•
Методика апробирована на примере территории Юга России. Составлена
серия карт природного и технического потенциала солнечной и ветровой энергии
для Юга России. Впервые выделены природные, экологические, технические,
социальные и экономические критерии оценки территории по степени
пригодности для развития ВЭ. Для Волгоградской области составлены карты
факторов, влияющих на размещение крупных и малых объектов солнечной и
ветровой энергетики, проведено районирования по степени пригодности.
По результатам диссертационного исследования опубликованы следующие
работы
в изданиях, рекомендованных ВАК:
1.
Б. А. Новаковский, А. И. Прасолова, С.В. Киселева, Ю. Ю. Рафикова.
Картографирование ресурсов возобновляемых источников энергии (на примере
энергии ветра) // Геодезия и картография, (11):31–39, 2012.
2.
S. Kiseleva, J. Rafikova, V. Shakun. Estimating renewable energy resources of
Russia: Goals and perspectives // EPJ Web of Conferences, 33: 01003-p.1– 01003-p.6,
2012.
3.
Б. А. Новаковский, А. И. Прасолова, Ю. Ю. Рафикова, М. А. Каргашина,
Ю. В. Манжилевский. Воздействие объектов ветроэнергетики на окружающую
среду // Геодезия и картография, (10):39–44, 2013.
20
4.
Ю.Ю. Рафикова, С. В. Киселева, Л. В.Нефедова. Использование ГИСтехнологий в области возобновляемой энергетики: зарубежный и отечественный
опыт // Альтернативная энергетика и экология, (12):96-106, 2014.
5.
Y. Rafikova, S. Kiseleva, L. Nefedova, S. Frid. The use of geoinformation
technologies for renewable energy and regional aspects of developing renewable energy
in Russia // EPJ Web of Conferences, 79: 04005-p.1– 04005-p.7, 2014.
6.
Андреенко Т.И., Рафикова Ю.Ю., Тетерина Н.В. Влияние природных и
экологических факторов на оценку ресурсного потенциала биоэнергетики (на
примере острова Свияжск) // Защита окружающей среды в нефтегазовом
комплексе, (3):40-45, 2015.
в других изданиях:
1.
С.В. Киселева, Ю.Ю. Рафикова. Попытка оценки природно-ресурсного и
технического потенциала ветровой энергии Южного федерального округа при
использовании дистанционного метода// Энергетический вестник СПбГАУ.
Сборник научных трудов, с. 136–140. СПбГАУ Санкт-Петербург, 2010.
2.
Л.В. Нефедова, С.В. Киселева, Ю.Ю. Рафикова. Оценка перспектив
энергообеспечения ряда особо охраняемых природных территорий России с
использованием ветровых и солнечных энергоресурсов// Возобновляемая
энергетика: проблемы и перспективы. Материалы II Международной
конференции. 27-30 сентября 2010г, с. 161–164. Институт проблем геотермии
ДНЦ РАН (Изд-во АЛЕФ) Махачкала, 2010.
3.
Ю. Ю. Рафикова, С. В. Киселева. Опыт создания тематических карт
ресурсов ветровой и солнечной энергии на основе спутниковых данных// IX
научная
конференция
по
тематической
картографии:
Тематическое
картографирование для создания инфраструктур пространственных данных
(Иркутск, 9-12 ноября 2010), выпуск 2, с. 14–17. Изд-во Института географии
им.В.Б.Сочавы СО РАН Иркутск, 2010.
4.
Ю.Ю. Рафикова. Картографирование ресурсного потенциала ветровой и
солнечной энергии России.// Возобновляемые источники энергии: Матер.Седьмой
всерос.науч.молод.шк. с межд. участием, с. 274–277. МИРОС Москва, 2010.
5.
Ю.Ю. Рафикова. Использование спутниковых данных при оценке ресурсов
солнечной и ветровой энергии// Современные проблемы географии и гидрологии
суши: Сборник статей участников всероссийской молодежной научной школы,
с. 69–71. Изд-во МГУ Москва, 2010.
6.
Б.А. Новаковский, А.И. Прасолова, С.В. Киселева, Ю.Ю. Рафикова.
Геоинформационные системы по возобновляемой энергетике// Международная
Конференция ИнтерКарто-ИнтерГИС-17. Устойчивое развитие территорий:
21
теория ГИС и практический опыт, Барнаул - Денпасар, 14-19 декабря 2011г, с. 10–
14. Барнаул, 2011.
7.
Ю. Ю. Рафикова, Н. В. Тетерина. Геоинформационное картографирование
ресурсов геотермальной энергии// Материалы IV Школы молодых ученых
им.Э.Э.Шпильрайна
Актуальные
проблемы
освоения
возобновляемых
энергоресурсов, pages 214–219. Махачкала, 2011.
8.
С.В. Киселева, Ю.Ю. Рафикова, В.П. Шакун. Использование ГИСтехнологий в области возобновляемой энергетики// III Международная научнопракт. конференция «Прикладные аспекты геологии, геофизики и геоэкологии с
использованием современных информационных технологий», с. 97–106, 2013.
9.
Л.В. Нефедова, Ю.Ю. Рафикова. Региональный анализ экологогеографических факторов освоения возобновляемых источников энергии в
сельских районах // Сборник материалов 9-ой Международной научнотехнической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском
хозяйстве", Москва 21-22 мая 2014. — Москва, 2014.
10. Н.C. Петухова, Ю.Ю. Рафикова. Оценка перспективности использования
территории Волгоградской области для размещения объектов солнечной и
ветровой энергетики // Возобновляемые источники энергии. Материалы
всероссийской научной молодежной школы с международным участием — 2014.
— С. 406–409.
11. Y. Rafikova. GIS mapping of wind and solar energy resources at the regional
level // Proceedings of the 3rd International Conference on GIS AND REMOTE
SENSING. — PRINT WAY Ереван, 2014. — P. 130–135.
12. Рафикова Ю.Ю., Киселева С.В. Геоэкологические аспекты при
планировании объектов возобновляемой энергетики // Прикладные аспекты
геологии, геофизики и геоэкологии с использованием современных
информационных технологий. Материалы III научно-практической конференции,
с. 184–191 — ИП Кучеренко Майкоп, 2015.
13. Yu.Yu. Rafikova, B.A. Novakovskiy, S.V. Kiseleva, A.I. Prasolova. Renewable
energy sources as an object of GIS mapping // Materials of the 2015 IGU Regional
Conference "Geography, culture and society for our future Earth", page 313, Moscow,
2015.
22
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 475 Кб
Теги
0c4fb7d70f, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа