Глава II
РЕГИОНАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ВНЕДРЕНИЯ ГЕЛИОТЕХНИКИ В КАЗАХСТАНЕ
Как известно, развитие народного хозяйства нашей страны основывается на социалистическом планировании. Государственный план развития народного хозяйства разрабатывается в соответствии с официально утвержденными методическими указаниями [209].
Одним из важнейших требований методики планирования является "научная обоснованность планов, предполагающая глубокий анализ состояния экономики, правильное определение задач и основных направлений ее развития, всесторонний учет в планах последних достижений научно-технического прогресса" и др.
В области использования солнечной энергии, как это видно из рис. 3, имеются определенные достижения, которые, исходя из требований методических указаний, должны найти отражение в планах развития народного хозяйства. Однако это требование нужно рассматривать в тесной связи и с другими требованиями методических указаний.
В методических указаниях в разделе "Планирование комплексного развития народного хозяйства союзных республик указано, что одной из главных задач в области территориального планирования является "вовлечение в производство наиболее экономичных с общегосударственной точки зрения природных ресурсов (ископаемых, лесных, земельных и водных) и рациональное их использование".
Анализ литературы показывает, что все работы гелиотехников направлены на выполнение этого требования: С одной стороны на использование солнечной энергии как отдельного вида природного ресурса, а с другой, на рациональное использование с помощью гелиотехники других видов ресурсов.
Краткая природно-климатическая характеристика Казахстана
Реализация достижений гелиотехники на конкретной территории зависит от характеристик поступающей солнечной радиации. Ночью, как известно, солнца нет, поэтому гелиоустановки могут найти применение в первую очередь на таких объектах, для которых это обстоятельство не играет решающей роли. При использовании солнечных установок в объектах, для которых необходимо непрерывное поступление энергии, в них должны быть предусмотрены аккумуляторы энергии (тепловые, электрические и др.) либо они должны комбинироваться с традиционными источниками получения энергии. Хотя эта проблема решается, однако эти ограничения ставят применение гелиоустановок в определенные рамки.
Приход солнечной радиации нестабилен и по другим причинам: он колеблется в зависимости от времени года, от облачности, прозрачности атмосферы, ее влажности и т.д. Например, влажность атмосферы оказывает влияние на эффективность работы гелиосушилок, пыльные бури - на работу теплиц, фотоэлементов, отражающих зеркал и т.д., наличие солей в атмосфере влияет на коррозионную стойкость материалов, а сила ветра - на характер монтажа гелиоустановок, имеющих большие площади сбора солнечной радиации и т.д.
Поэтому даже обзорное рассмотрение этих условий позволяет в каждом конкретном случае определить как возможные ограничения в конструировании и эксплуатации гелиоустановок на рассматриваемой территории, так и направление исследований в области гелиотехники, что в свою очередь позволяет выявить информационные потребности и направления поиска, получения и использования интересующей информации.
Некоторые данные, которые можно было бы учитывать при конструировании и эксплуатации гелиоустановок, накапливаются и обрабатываются гидрометеослужбой. Они публикуются в специальных изданиях, предназначенных для широкого круга специалистов, однако для целей гелиотехники ими можно воспользоваться только после их информационно-логической переработки. На рис. 4, 5 и 6 приводятся схемы, показывающие, какие данные при этом могут быть получены. Собственно говоря, эти схемы отображают направления потребности в этой информации. Полностью привести в данном обзоре фактические данные не представляется возможным и, кроме того, эти данные являются предметом специального рассмотрения, но нами была проделана информационно-логическая переработка данных в специальные карты-схемы, часть из которых представлена на рисунках 7-14 (всего их разработано 59). Составление карт-схем проводилось на основе требований методики [248]. При составлении карт-схем был использован "Справочник по климату СССР" (вып. 18), освещающий климат территории Казахской ССР. Материал справочника представлен в виде таблиц по отдельным станциям.
Рис. 4. Схема потребностей и информации по характеристике солнечной радиации на территории Казахстана
Рис. 5. Фрагмент ситуативной схемы "Солнечная радиация". Облачность
Рис. 6. Фрагмент ситуативной схемы "Солнечная радиация". Атмосферные осадки. Ветер
В каждом справочнике помещена карта сети метеостанций. Данные таблиц наносились на карты сетей станций. Карты, характеризующие отдельные элементы климата (солнечную радиацию, солнечное сияние, ветер, атмосферные осадки, облачность), разбивались на зоны, имеющие определенные условные обозначения и наглядно показывающие климатические особенности в различных регионах Казахстана.
На карте-схеме "Наблюдавшегося солнечного сияния в Казахской ССР. Год" (см. рис. 7) обозначены многолетние средние значения числа часов солнечного сияния за год, полученные из рядов наблюдений различной длительности, включая и короткие ряды (начиная с 5 лет) в пределах периода 1903-1963 гг. Данные для построения карты-схемы взяты из табл. 1 [273].
Для составления карты-схемы "Годовых сумм суммарной радиации при ясном небе" (рис. 8) и карты-схемы "Годовых сумм рассеянной радиации при ясном небе" (рис. 9) использованы материалы табл. 6, период наблюдений станций которой составляет не менее 4-5 лет [273].
Карта-схема "Число ясных дней по общей облачности. Год" (рис. 10) и карта-схема "Число пасмурных дней по общей облачности. Год" (рис. 11) составлены на основании данных табл. 4 [277]. Значения таблицы получены непосредственным подсчетом для станций, имеющих наблюдения не менее 20 лет в пределах периода 1936-1965 гг.
Данные карты-схемы "Средней годовой общей облачности" (рис. 12) получены непосредственным подсчетом для рядов наблюдений не менее 25 лет в пределах периода 1 936-1965 гг.,а в малоосвещённых районах - не менее 16 лет - взяты из табл. 5 [277].
На карте-схеме "Повторяемость туманов, метелей" (рис. 13), представлены значения табл. 8, данные которой отмечены в пределах периода 1936-1963 гг. [277].
При составлении карты-схемы "Средних годовых скоростей ветра в Казахской ССР и годовой повторяемости направления ветра" (рис. 14) использован материал табл. 3, составленной за период 1936-1964 гг. [275].
Рис. 12. Карта-схема средней годовой общей облачности
Рис. 13. Карта-схема повторяемости туманов, метелей "небо не видно". Год.
Рис. 14. Карта-схема средних годовых скоростей ветра и годовой повторяемости направления ветра
Рассмотрим несколько подробнее природно-климатическую характеристику Казахстана. На основании этих источников составлены табл. 2 и 3.
Казахстан - вторая после РСФСР союзная республика по занимаемой площади (2715,1 тыс. км) и третья по численности населения (1 2,85 млн. чел.) - расположен между 40° и 55°22' с.ш. и простирается на 2925 км с запада на восток и 1 600 км с севера на юг. Следовательно, территория Казахстана располагается в центральных и южных широтах умеренного пояса, а также в полосе, переходной к субтропикам.
Характерной особенностью географического положения Казахстана является глубокое внутриконтинентальное положение большей части его территории в центре Евразии и наличие разнообразных физико-географических и почвенно-климатических условий.
Главной чертой климата Казахстана является резкая континентальность и крайняя засушливость. В равнинной части климат обусловлен географическим положением территории, а в горных районах - законом вертикальной зональности.
Общая почвенно-климатическая характеристика (с основными растительными ассоциациями) природных зон и подзон равнинного Казахстана представлена в табл. 2, из которой видно, что в меридиональном направлении на территории Казахстана балансы тепла и влаги имеют существенные различия. Если к северу от 55° с.ш. (умеренно влажная степь в районе г. Петропавловска и севернее его) коэффициент увлажнения (рассчитанный отношением количества осадков за год: испаряемость за год) равен 0,77-0,63, то в Кызылкумах (южная пустыня) эти показатели в 7-8 раз меньше. Эта закономерность проявляется в ландшафте в виде почвенно-географических зон и подзон (в горных областях - высотных поясов).
Основа этих различий в первую очередь определяется солнечной радиацией, что проявляется в заметном увеличении с севера на юг поступающего солнечного тепла и уменьшении атмосферных осадков.
Почвенно-климатическая характеристика зон и подзон Казахстана.
Как удалось установить, продолжительность солнечного сияния на территории Казахстана достаточно велика (до 3 1 00 часов). При этом территория, на которой солнечное сияние наблюдается в течение 2800-3 1 00 часов составляет 1900,5 тыс. км. или 70% общей площади Казахстана.
Число ясных дней по общей облачности составляет 81-160 дней, по нижней облачности это число возрастает до 181-220 и более 240 дней, что составляет по площади 2/3 территории республики. Число же пасмурных дней соответственно не превышает 90 и 40 дней, что соответственно составляет 1/3 территории, находящейся в северной и предгорной провинциях Казахстана. Число пасмурных дней изменчиво по временам года - летом оно достигает 3 дней по общей облачности в месяц, в зимний период - 9 и 13 дней в месяц.
Необходимо отметить, что число пасмурных дней увеличивается в двух направлениях (в обратной зависимости находится продолжительность солнечного сияния) - к северу и к предгорьям и горам. Это объясняется (кроме общих причин) деятельностью циклонов и антициклонов и сопровождающих их значительной облачностью и осадками.
Наличие цикличности и воздействие азиатского максимума давления обусловили то обстоятельство, что возможность образования плотной облачности для большей части территории Казахстана почти исключается и если конвективные облака и образуются, то на очень больших высотах в виде тонких перистых облаков, слабо влияющих на продолжительность солнечного сияния.
Кроме того, образованию интенсивных конвективных токов препятствует повышенный уровень водяных паров, обусловленный громадными величинами сумм солнечной радиации, что в свою очередь обусловливает образование огромных площадей иссушенной поверхности земли и очень сухих воздушных масс. В поверхностном слое (0-5 см) пустынных и полупустынных почв влаги содержится до 1/3 влажности устойчивого завядания растений, т.е. в количестве, совершенно недоступном для растений.
Относительная влажность воздуха опускается до 5-10%.
Среднегодовая общая облачность более 6 баллов составляет всего 7-10% территории, а среднегодовая нижняя облачность для 95% территории не поднимается выше 3 баллов.
Анализ карт-схем повторяемости облачности (16% к числу наблюдений за облаками) показал, что на территории Казахстана облачность верхнего яруса составляет в основном для равнинного Казахстана 20-30%, а для Балхаш-Алакульской предгорной зоны - 31 - 35% и для горных областей - 36-40%. Облачность среднего яруса составляет 1 625%, и повторяемость облачности нижнего яруса для равнинного Казахстана - всего 5-10%; увеличиваясь до 1 416% в горах. Эго годовые показатели. Определенная трансформация их по временам года происходит, увеличиваясь, например, для повторяемости облачности нижнего яруса - почти в 2 раза летом (в горных областях достигает 30%, а на равнинах - 1 6-20%), в январе же она равна в основном всего 0,1-0,7%.
Годовая повторяемость туманов, метелей "небо не видно" находится в интервале 0,1-3,0%, при этом на интервал 0,1-1,0% приходится больше половины территории республики. Зимой повторяемость показателя "небо не видно" для равнинного Казахстана достигает 2-3%, зато летом опускается до 0,0-0,2%. Соотносительно показателю "небо не видно" находятся показатели повторяемости ясного состояния неба по общей и нижней облачности (0-2б).
Необходимо отметить, что если в зимние месяцы повторяемость состояния ясного неба как по общей, так и по нижней облачности географически предстает в меридиональном аспекте, то в летние месяцы, наоборот, в широтном. При этом, например, в июле повторяемость ясного (0-2б) состояния неба по нижней облачности достигает 80-90% для пустынных и полупустынных территорий. Повторяемость же пасмурного неба (8-10 б) равна всего 5-1 0% (годовые данные).
Следовательно, для 2/3 территории Казахстана характерна большая продолжительность солнечного сияния и значительные высоты полуденного солнца (в особенности в теплый период года).
С отмеченными особенностями связаны другие два климатические компонента, имеющие существенное практическое значение. Речь идет о повышенной освещенности и значительных гелиоэнергетических ресурсах территории.
Годовая суммарная радиация для пустынных и полупустынных территорий 131-150 и более ккал/см2, для остальной территории Казахстана этот показатель опускается, но не ниже 100 ккал/см2. Причем годовые величины суммарной радиации при ясном небе возрастают для севера Казахстана до 140-160 ккал/см2, для Центрального - 160-170 ккал/см2 и для Южного и Юго-Восточного - 170-190 ккал/см2. При этом наблюдается довольно четко выраженная широтная зональность - суммарная радиация постепенно увеличивается с севера на юг. В такой же общей закономерности изменяется и поглощенная радиация. Однако, благодаря альбедо, такой четко выраженной широтной зональности, как у суммарной радиации, мы не обнаруживаем.
Так, повышенная облесенность, обилие рек и мелкосопочного рельефа в некоторых районах (Павлодар-Кокчетав- Атбасар-Целиноград) обусловили неоднородность радиационных и термических свойств подстилающей поверхности, следствием чего явилась и наименьшая в Казахстане годовая сумма поглощенной коротковолновой радиации, равная 70-80 ккал/см2. Для сравнения скажем, что для соседних территорий, также Северного Казахстана, эти показатели равны 81-90 ккал/см2 а для Южного - 91-100 и более ккал/см2. Альбедо, имея среднегодовые показатели 22-36% наибольших величин, достигает зимой 50-75%, для пустынных и полупустынных территорий альбедо равно: год - 24-36%, зимой (декабрь) - 38-54%, летом (июнь) - 20-31%. Годовые суммы отраженной коротковолновой радиации для севера республики равны - 30 ккал/см2 Центрального Казахстана - 31-40 и для Южного - 41-50 ккал/см2.
Эффективное излучение изменяется в интервале с 3545 ккал/см2 на севере, достигая 50 ккал/см2 в год на юге.
Летом его величины для пустынь Центрального Казахстана повышаются, что объясняется интенсивным перегревом подстилающей поверхности.
Годовая сумма прямой солнечной радиации, поступающей на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность, для севера республики равна 100-116 ккал/см2, для Центрального - 131-145 ккал/см2 и для пустынь и полупустынь - 146-17 5 и более ккал/см2. Годовая же сумма этого вида солнечной радиации при ясном небе соответственно возрастает до 250,1-265,0 и 265,1-295,0 ккал/см2.
Годовые суммы прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, для Северного Казахстана равны 50-60 ккал/см2, Центрального - 71-80 и пустынь и полупустынь - 81-110 ккал/см2. При ясном небе эти величины возрастают соответственно до 120, 1 20-140, 140- 150 и более ккал/см2
Годовые суммы рассеянной радиации, обусловленные общеклиматическими особенностями Казахстана (отдаленность от Мирового океана, сухость и т.п.), в отличие от прямой радиации, наоборот, на севере республики имеют большие значения - 5 1-53, а на юге - 45-47 ккал/см2, опускаясь летом (июнь) до 5,0 и менее ккал/см2. Летом рассеянная радиация при ясном небе для всего Казахстана имеет практически одинаковые относительно небольшие величины — 3-4,0 ккал/см
Рассматривая составные части радиационного баланса, характеризуя последний в целом, необходимо отметить, что тепла поступает на всю территорию республики очень много и его годовые величины положительны и для равнинного Казахстана составляют 38,4-53,5 ккал/см2, а в горах и центрально-казахстанском мелкопесочнике, в зависимости от крутизны и ориентировки склонов, зимой и летом могут достигать 1 00-300 ккал/см2 (65). В летние же месяцы отношение наблюдавшегося солнечного сияния к возможному на равнинах Казахстана составляет 80-93%.
Таким образом, в условиях Казахской ССР солнечная энергия может быть интенсивно использована в районах южнее 50° северной широты. К таким районам относятся значительная часть Актюбинской, Уральской, Карагандинской, Семипалатинской областей, полностью Гурьевская, Мангышлакская, Кзыл-Ординская, Чимкентская, Джамбулская, Алма-Атинская, Талды-Курганская области и южная часть Тургайской и Павлодарской областей.
Однако региональные условия внедрения средств гелиотехники не ограничиваются только климатическими факторами. Перспективность их внедрения зависит от количественных характеристик сфер применения (см. рис. 2) и объектов внедрения (водоподъем, опреснение, облучение растений, горячее водоснабжение и т.д. - см. рис. 3).
Сферы же применения средств гелиотехники в Казахстане можно свести к 6 основным направлениям (табл. 3).
