3.1. Сравнениеактинометрических данных NASA с данныминаземных измерений
Анализ выполнялся в двух направлениях:

Рис. 14. Пункты сравнения данных NASA SSE с результатамиактинометрических измерений на территории России
Параметром сравнения была относительная погрешность (отклонение) сумм суммарной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность. Погрешность анализировалась как по отдельным пунктам наблюдений, так и по всем пунктам за определенные промежутки времени (год, теплая половина года, летние месяцы). Результаты сравнения в зависимости от географической широты метеостанций приведены на рис. 15. Для большинства пунктов сравнения отклонение не превышает 5%, что для проведения гелиотехнических расчетов вполне допустимо. Увеличения с ростом широты не обнаружено. Погрешность превышает 10% лишь для нескольких пунктов: Южно-Сахалинска (46,9°с.ш.), Енисейска (58,5°с.ш.), Ванавары (60,3°с.ш.), Туры (64,3°с.ш.), Туруханска (65,8°с.ш.) и некоторых других. Эти значительные отклонения актинометрических данных либо являются результатом случайных ошибок, либо возникают в результате недостаточного учета в математических моделях NASA SSE локальных особенностей климата в этих регионах.

Рис. 15. Относительное отклонение сумм суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в зависимости от широты за год, теплые полгода, летние месяцы.

Рис. 16 Среднее по выборке из 50 пунктов сравнения относительное отклонение данных NASA в зависимости от времени (сплошная линия) и ее стандартное отклонение (пунктир).
Относительное отклонение естественно изменяется в течение года. Это иллюстрирует рис. 16, на котором приведена зависимость от времени осредненной по всем пунктам сравнения и ее стандартного отклонения.
Одной из причин достаточно высоких величин погрешности для отдельных пунктов сравнения и периодов осреднения может быть то, что для верификации математических моделей NASA SSE, как уже отмечалось выше, были использованы данные весьма ограниченного количества метеостанций России, распложенных, в основном, в ее Европейской части. Кроме того, создатели базы данных отмечают, что некоторые математические методы в высоких широтах либо дают ошибку более 15%, либо вообще не могут быть использованы. В любом случае, выяснение причин высоких отклонений, которые могут иметь как объективный, так и субъективный характер, требует специальных изысканий. В тех же точках, где указанная погрешность невелика ( < 15%), данные NASA SSE для оценки потенциала солнечной энергии территории и расчета характеристик установок, использующих солнечную энергию вполне удовлетворительны.

Рис. 17. Изменение в течение года относительного отклонения данных NASA от результатов наземныхизмерений (месячная сумма суммарной солнечной радиации) для различных метеостанций.
Принципиальных различий в распределении месячных сумм суммарной солнечной радиации по данным NASA SSE и МО МГУ и в этом случае не выявлено. Наибольшее различие в данных отмечается для июля, но в относительных величинах оно не превышает 15%. Это подтверждают графики распределения относительного отклонения месячных сумм суммарной солнечной радиации, которые практически идентичны для обоих периодов (рис. 19). Погрешность максимальна (до 35%) в зимние месяцы, а в период март-октябрь не превышает 10%.

Рис. 18. Месячные суммы суммарной солнечной радиации по данным NASA SSE (1983-1993 гг.) и МО МГУ (1961-1990 гг. и 1991-2000 гг.).

Рис. 19. Относительная погрешность месячных сумм суммарной солнечной радиации (данные NASA SSE в сравнении с данными МО МГУ 1961-1990 гг. и 1991-2000 гг.).

Рис. 20. Месячные суммы прямой солнечной радиации, поступающей на нормальную к лучуповерхность, и суммарной солнечной радиации по измерениям на актинометрических станцияхи по данным NASA SSE: а — прямая радиация, Астрахань; б — суммарная радиация, Астрахань;в — прямая радиация, Сочи; г — суммарная радиация, Сочи; д — прямая радиация, Золотушка;е — суммарная радиация, Золотушка.
Поскольку для некоторых типов гелиоэнергетических установок (использующих концентраторы солнечной энергии) существенным является достоверность данных о прямой солнечной энергии, нами был проведен также сравнительный анализ соответствующих величин в базе данных NASA. Для сравнения нами были использованы данные метеорологических станций по прямой и суммарной солнечной энергии; типичные результаты этого сравнения приведены на рис. 20, 21.

Рис. 21. Диаграммы рассеяния для полученных из базы данных NASA и из результатов наземных актинометрических наблюдений значений: а — суммарной солнечной радиации, б — прямой солнечной радиации

Рис. 22. Распределение среднемесячныхскоростей ветра на высотах флюгерныхизмерений по данным наземных метеостанцийи NASA SSE для станций наблюдения Южного федерального округа.
Данные NASA SSE по суммарной солнечной радиации гораздо лучше совпадают с результатами наземных измерений, чем данные по прямой солнечной радиации, поступающей на нормальную к лучу поверхность. Это позволяет обоснованно использовать первые для картографирования ресурсов солнечной энергии и проводить оценку ее потенциала. Что касается данных по прямой солнечной радиации, следует в дальнейшем определить причину расхождения и оценить границы допустимости использования соответствующих результатов.
Таким образом, для оценки ветровой обстановки над территорией, т.е. для интегральных оценок использование базы данных NASA SSE, по-видимому, является оправданным. Однако, при <точечных> расчетах, т.е. обосновании локального ветропотенциала необходимо использовать наземные измерения — многолетние метеоданные и результаты специально проводимого ветромониторинга [29].
3.2. Построение карт обеспеченности солнечной энергией территории Россиис использованием данныхNASA SSE
Наличие в базе данных NASA SSE информации о суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную и наклонные поверхности, (в том числе и для территории России) с разрешением 1° × 1° (по широте и долготе) создает возможность для построения карт ресурсов солнечной энергии. В картографическом виде были представлены следующие данные (в кВтч/м2):

Рис. 24. Изменение оптимального угла наклона поверхности солнечного приемникав течение года (Москва, 55° с.ш., 37° в.д.)
Карты построены для различных периодов года (год в целом, теплые полгода (апрель-сентябрь), лето (июнь-август), для прямой радиации — дополнительно холодные полгода) и для различной ориентации наклонной поверхности приемника. Среди перечисленных карт представлена и карта распределения сумм суммарной солнечной радиации, падающей на оптимально ориентированную поверхность. В общем случае зависимость интенсивности падающей радиации от угла наклона поверхности к горизонту обладает максимумом, соответствующим минимальному углу падения излучения на поверхность. При усреднении за тот или иной период характер этой зависимости сохраняется. Оптимальный угол в течение года изменяется (рис. 24): в зимние месяцы (в период низкого стояния Солнца) он близок к 90° (максимальную солнечную энергию получают вертикальные поверхности), летом — близок к 0° (максимально облучены горизонтальные поверхности).
Методика обработки данных и построения карт [30, 31] включала получение первичной информации из базы данных NASA SSE [3] для широтно-долготного диапазона, соответствующего территории России с интервалом в 1° по широте и долготе. В результате были сформированы около 4000 файлов относящихся к каждой точке сетки широта-долгота. Затем все файлы были сведены в единый массив, содержащий результаты расчета падающей солнечной радиации за каждый месяц года и среднегодовые значения. Данные относятся:
Массив подготовленных данных гораздо шире перечня построенных в результате работы карт. Разработанная авторами методика картографической обработки данных позволяет расширять этот перечень, создавая карты для отдельных регионов, отдельных периодов года или нанося на карты информацию, имеющую сугубо прикладное значение (например, величина оптимального угла наклона солнечного коллектора и т.д.).
- более детальный массив данных (сетка данных 1° × 1°);
- отображение на картах сумм солнечной радиации, поступающей на различным образом ориентированные поверхности (а не только на горизонтальные и вертикальные);
- возможность на основе широкого набора актинометрической и метеорологической информации эффективно представлять в картографическом виде не только исходные данные, но и параметры эффективности работы использующих возобновляемые источники энергии установок, а также строить карты для отдельных регионов.
Созданные карты имеют большое практическое значение, поскольку дают наглядную качественную и количественную информацию о приходе солнечной радиации на горизонтальную и наклонные поверхности. Эта информация может быть использована при оценке эффективности применения солнечных установок в различных регионах России.
3.3. Анализ картографического материала
Представленные в Атласе карты можно разбить на следующие группы:
Анализ карт показывает, что распределение суммарной солнечной энергии по территории России характеризуется выраженной широтной зональностью, в чем проявляется влияние астрономического фактора. Особенно четко такой характер проявляется в распределении среднегодового прихода сум-марной солнечной радиации, который изменяется в широтном направлении по территории Российской Федерации, увеличиваясь от 1,5 кВтч/м2день на побережье северных морей до 3,5…4,0 кВтч/м2день в районах Северного Кавказа, Нижнего Поволжья, юга Бурятии, Алтая, Тывы и Дальнего Востока. В теплые полгода (апрель-сентябрь) и, в еще большей степени, в летние месяцы помимо абсолютного увеличения суммарной радиации4 наблюдается нарушение зональности, поскольку доминирующим фактором становятся особенности циркуляции атмосферы над территорией России. В результате имеет место существенный сдвиг изолиний к северу в азиатской части России, где благодаря малой облачности (вследствие устойчивости антициклонов), а также высокой прозрачности воздуха величина суммарной радиации сравнима с таковой на территориях Европейской части, располагающихся на 10…15° южнее. В западных районах России меньшие значения суммарной радиации и нарушение зональности ее распределения определяется влиянием атлантических циклонов. Для районов Дальнего Востока характерно снижение уровня суммарной радиации в летние месяцы (по сравнению с прилегающими территориями того же широтного пояса), что также обусловлено особенностями циклональной активности: летний муссон на этих территориях сопровождается увеличением облачности и туманов.
В атласе приведены данные о суммарной солнечной радиации, падающей на вертикальные поверхности, для трех периодов (год, теплые полгода, летние месяцы). В годовом распределении этой величины видно сохранение подобия широтной зависимости. Однако, в картах характеристик, осредненных за теплое полугодие и летние месяцы, такая зональность не только не просматривается, но наблюдается своеобразная инверсия: суммарная солнечная радиация, поступающая на вертикальную поверхность, максимальна на обширной территории на северо-востоке страны, а минимальна в южных районах ее европейской части, Прибайкалье, Забайкалье, а также на юге Дальнего Востока. Этот результат вполне понятен, поскольку в летнее месяцы в южных районах положение солнца таково, что максимальной облученности подвергаются площадки с минимальными углами наклона к горизонту.
Как и в случае других карт, представляющих средние за год значения, на карте распределения суммарной солнечной радиации, приходящей на оптимально ориентированную поверхность, можно увидеть выраженную широтную зональность характеристик, однако в случае оптимальной ориентации имеет место сдвиг изолиний суммарной радиации на север на 7…10° широты по сравнению с другими ориентациями приемных поверхностей. Иными словами, оптимально ориентированная площадка собирает такое же количество энергии, как площадка, ориентированная по широте, расположенная на 10° южнее.
Таким образом, анализ построенных карт показывает, что на территории России, часто вне прямой зависимости от широты, имеют место регионы с высокими уровнями солнечной радиации. К таким регионам относятся как южные районы страны (Краснодарский край, Ростовская область, юг Восточной Сибири и Дальнего Востока), так и некоторые районы, расположенные в более высоких широтах и даже лежащие за полярным кругом. Такая картина распределения инсоляции в определенной степени совпадает с рядом <классических> карт, построенных на основе данных наземных актинометрических наблюдений, — картами сумм суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность для апреля — августа [1, 6]. В холодный же период года (октябрь — март) и в среднем за год широтная зональность распределения солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, на этих картах выражена достаточно строго, что не вполне соответствует результатам, полученным в настоящей работе. Широтная неоднородность распределения солнечной радиации особенно проявляется в случае негоризонтальной ориентации приемной поверхности.
Здесь следует отметить, что в связи с расположением России в довольно большом широтном поясе, районирование ее территории с использованием критерия поступления солнечной радиации на горизонтальную поверхность с точки зрения гелиотехники правомерным не является, поскольку приемники солнечного излучения устанавливаются под углом к горизонту. Поэтому данные и карты распределения солнечного излучения, приходящего на наклонные площадки имеют большое практическое значение. Такие карты существенно увеличивают информационную основу для выделения на территории России приоритетных с точки зрения использования солнечной энергии зон.
Для сравнения потенциала России и других регионов мира отметим, что самый <солнечный> район Европы — юг Испании — характеризуется среднегодовым днев-ным поступлением солнечной радиации 4,7 кВтч/м2день, а юг Германии, где сегодня идет активное внедрение солнечных установок, — всего 3,3 кВтч/(м2день). Таким образом, значительные регионы России по суммам поступающей солнечной радиации практически не уступают европейским странам. Безусловно, Россия характеризуется гораздо более холодным климатом, особенно в зимнее время, что накладывает некоторые ограничения на использование солнечных установок. Однако представленные данные достаточно убедительно опровергают широко бытующее представление о том, что Россия солнечными ресурсами бедна.
Анализ полученных результатов показывает, что распределения суммарной и прямой солнечной радиации существенно отличаются друг от друга. Использование следящих за Солнцем приемников с концентраторами солнечного излучения, прежде всего в некоторых районах Сибири, позволяет на 15…20% увеличить располагаемый энергетический потенциал солнечной энергии. Однако для большей части территории России, в том числе в наиболее перспективных для использования солнечной энергии районах юга Европейской части и Забайкалья преобразователи солнечного излучения с концентраторами <собирают> меньше солнечного излучения, чем неподвижные приемники, рассчитанные на дальнейшее преобразование как прямой так и рассеянной солнечной радиации (солнечные коллекторы, традиционные фотоэлектрические преобразователи и т.п.).
Максимальным ветропотенциалом со среднегодовыми скоростями ветра более 7 м/с располагают окраинные районы страны и, прежде всего, районы вдоль морских побережий. Около половины территории страны характеризуется средними скоростями ветра более 5 м/с — общепринятого порогового значения скорости ветра, при которой имеет смысл изучать возможности эффективного практического использования ветроустановок более детально. Наименее благоприятными для использования энергии ветра являются центральные районы Европейской, Западно- и Центрально-Сибирской частей России, хотя, как показывает практический опыт, и в этих районах могут быть найдены места с аномально сильными ветрами, приемлемыми для эффективного использования.
4 При переходе от средних за год к средним за теплое полугодие значениям суммарной солнечной радиации происходит сдвиг изолинии 3,5 кВтч/м2день от южных границ России до побережья северных морей.