В статье представлены результаты исследований физических свойств гидрированных аморфных тонких плёнок сплавов a-Si1-хGeₓ:H, a-Si:H и a-Ge:H, полученных методом плазмохимического осаждения. Определены оптические константы (n, n₁, α, R, T и d), а также ширина запрещённой зоны исследуемых плёнок E₀ = 1,05-1,85 эВ. Исследованы оптические свойства плёнок при различных условиях осаждения, включая толщину плёнки, парциальное давление водорода, температуру подложки и уровень гидрирования сплавов. Установлено, что изменение технологических параметров приводит к формированию различных структурных фаз.

Осаждённые плёнки a-Si1-хGeₓ:H, a-Si:H и a-Ge:H имеют смешанную, двухфазную структуру, состоящую из нанокристаллитов, распределённых в аморфной матрице. Концентрации углерода и водорода в плёнках a-Si1-хGeₓ:H существенно зависят от условий осаждения и состава исходной газовой смеси (SiH₄, H₂ и GeH₄). Установлено, что свойства плёнок в значительной степени определяются их составом и уровнем гидрирования. Содержание водорода в плёнках изменяли путём изменения состава газовой смеси и определяли методом инфракрасной (ИК) абсорбционной спектроскопии для плёнок a-Si:H и a-Ge:H.

Исследованы изменения электрических и фотоэлектрических характеристик плёнок, а также влияние радиационного воздействия на их свойства. На основе плёнок a-Si:H и a-Si₀,₈₈Ge₀,₁₂:H были изготовлены солнечные элементы с двухслойной, трёхслойной и комбинированной двух- и трёхслойной каскадными структурами, а также исследованы их эксплуатационные характеристики. Для площади элемента 1,5 см² максимальный коэффициент преобразования мощности (η) достигал 18,9 %.

Использование  теплоэлектростанций  (ТЭС)  в  качестве  объектов  для  масштабной  генерации  водорода может  обеспечить  существенное  снижение  стоимости  производимого  альтернативного  топлива.  Этому способствует  наличие  свободных  площадей,  доступ  к  энергетическим  ресурсам  и  развитая  инфраструктура ТЭС. Уже проведена оценка перспектив производства водорода на паротурбинных и парогазовых ТЭС. Цель исследования  –  оценить  с  использованием  методов  имитационного  моделирования  потенциал  производства водорода  методом  газификации  твердых  коммунальных  отходов  (ТКО)  на  газотурбинных  ТЭС.  Разработана схема внедрения установки ТКО‑водород в состав ГТУ ТЭС. Создана имитационная модель энергоблока на базе газовой турбины SGT‑800. Проанализированы совместные режимы работы ГТУ и установки ТКО‑водород. Определен  диапазон  объемов  производства  водорода  и  утилизации  ТКО.  Установлено,  что  для  ГТУ  этого типа максимальные объемы генерации водорода составляют 10,8‑35,8 тонн/ч, а объемы переработанных ТКО 468,8‑608,3 тонн/ч. Это означает, что одного энергоблока с SGT‑800 и установкой ТКО‑водород достаточно для переработки всего объема пригодных для газификации фракций отходов, образующихся в городе с населением в  насколько  миллионов  человек.  Установлено,  что  объемы  производство  водорода  и  переработки  ТКО  при увеличении температуры наружного воздуха от ‑30 до + 30 °С снижаются на 8,5 %, при снижении коэффициента загрузки ГТУ от 100 до 30 % снижаются на 24,4 %, а при увеличении доли водорода в составе синтез‑газа от 25 до 75 % увеличивается на 67 %. Для расширения возможностей производства водорода на ГТУ ТЭС необходимо включить в состав схемы установку, утилизирующую высокотемпературную сбросную теплоту синтез‑газа для теплоснабжения внешнего потребителя.

Комплексная утилизация твердых коммунальных отходов (ТКО) и развитие технологий производства низкоуглеродных топлив, в том числе водорода, является общепризнанным направлением декарбонизации в рамках целей устойчивого развития. Развитие низкоуглеродных проектов на базе существующей энергетической инфраструктуры обеспечит сбалансированный переход на новые технологии и повысит эффективность использования действующего оборудования. Исследование посвящено оценке возможности интеграции комплекса по производству водорода из ТКО в инфраструктуру действующей теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) с турбинами типа «ПТ». В качестве объекта исследования выбрана Петрозаводская ТЭЦ (г. Петрозаводск, Республика Карелия, Россия). Проведена оценка потенциала ТКО Республики Карелия для производства refuse-derived-fuel (RDF) и определен компонентный состав и выход синтез-газа при различных типах дутья (воздушное, паровоздушное, кислородное). Разработана тепловая схема паротурбинной установки с использованием пара производственного отбора для конверсии монооксида углерода. Разработана схема утилизации теплоты синтез-газа с перегревом пара после цилиндра высокого давления. Результаты моделирования газификации показали, что максимальный выход водорода (0,336 т/ч) достигается при паровоздушном дутье, при этом расход топлива увеличивается на 0,4 % по сравнению с исходным режимом. Минимальный прирост расхода топлива наблюдается для кислородного дутья (0,03 %), при этом обеспечивается минимальный выход водорода (0,199 т/ч). Результаты моделирования режимов работы с системой утилизации теплоты синтез-газа показали, что для воздушного дутья наблюдается  снижение  расхода  топлива  на  0,15  %  относительно  исходного  режима.  Выбор  типа  дутья  при газификации RDF для производства водорода зависит от целей интеграции комплекса ТКО-водород.

Темновая ферментация (ТФ) органических отходов является перспективным подходом для получения биоводорода, однако эффективность процесса существенно зависит от сложных взаимодействий между технологическими параметрами и межвидовыми отношениями в микробных консорциумах. В данном исследовании проведена комплексная оптимизация ТФ молочной сыворотки с использованием бинарной культуры штаммов Clostridium butyricum SP4 и Clostridium beijerinckii SP6 с применением методологии поверхности отклика. Установлено, что оптимальное соотношение штаммов составляет 1:10 (SP4:SP6), при котором достигается синергетический эффект, предположительно связанный с эффективным перераспределением метаболических потоков и утилизацией промежуточных продуктов. Разработаны адекватные математические модели (R² = 0,70-0,97) для потенциального выхода водорода (PHY), максимальной скорости его образования (Km) и лаг-фазы (LPh). Показано, что магнетит (0-400 мг/л) не оказывает статистически значимого влияния на PHY и Km, однако достоверно сокращает LPh, что, вероятно, обусловлено повышением доступности ионов железа для гидрогеназного комплекса и ускорением адаптации бактерий на начальных этапах ферментации. Оптимальными условиями для максимизации PHY и Km являются: 400 мг/л магнетита, pH 8,0 и скорость перемешивания 173,9 об/мин, а при минимизации LPh оптимальными значениями факторов являются: 400 мг/л магнетита, pH 8,0 и скорость перемешивания 120,0 об/мин. Валидация моделей в оптимальных условиях подтвердила их высокую предсказательную способность: экспериментальные значения PHY, Km и LPh отличались от предсказанных не более, чем на 4,3 %. Выявлен сдвиг метаболизма в сторону бутиратного типа ТФ при добавлении магнетита. Полученные результаты создают научную основу для управления процессом ТФ молочной сыворотки.

Интеграция установки паровой конверсии метана в кислородно-топливные энергетические комплексы является  перспективным  направлением  повышения  энергетической  эффективности  совместного  производства электроэнергии и водорода с практически полным улавливанием диоксида углерода. В настоящей работе разработан и исследован кислородно-топливный энергетический комплекс на базе цикла SCOC-CC с интеграцией риформера в газовоздушный тракт котла-утилизатора. В ходе термодинамического исследования установлено, что при увеличении массового расхода водорода от 0 до 3,68 кг/с коэффициент использования теплоты топлива возрастает с 49,5 % до 74,3 % и превышает аналогичный показатель для схемы с интеграцией установки паровой конверсии метана посредством промежуточного перегрева пара на 1,2-2,5 %.

Водородные энергетические системы быстро становятся центральным компонентом современной низкоуглеродной энергетической инфраструктуры, что обусловлено глобальным переходом к возобновляемой генерации, распределенным энергоресурсам и технологиям гибкой электросетевой поддержки. По мере того, как водородные электролизеры и топливные элементы все чаще используются наряду с фотоэлектрическими батареями, ветряными турбинами, аккумуляторными системами накопления энергии и интеллектуальными сетевыми интерфейсами, требования, предъявляемые к их силовым электронным подсистемам, существенно возрастают. Эти  системы  должны  надежно  работать  при  широких  и  непредсказуемых  колебаниях  входного  напряжения, колеблющихся профилях нагрузки и динамических взаимодействиях с электрической сетью. Поэтому для обеспечения стабильной, эффективной и безопасной работы оборудования с применением водородных технологий требуются усовершенствованные архитектуры преобразования и стратегии управления, способные поддерживать точные выходные характеристики в реальных условиях.

Данная работа направлена на решение этих задач путем разработки и анализа системы управления последовательным резонансным преобразователем с фиксирующими диодами (CSRC), топология которого хорошо подходит  для  высокоэффективного  преобразования  в  водородной  энергетике.  CSRC  обладает  такими  неотъемлемыми преимуществами, как снижение потерь при переключении, возможность плавного переключения и компактные резонансные компоненты, что делает его отличным кандидатом для интеграции в установки по производству и потреблению водорода. Однако для его практического применения требуется система управления, способная адаптироваться к широкому диапазону входных напряжений и быстрым переключениям нагрузки, сохраняя при этом плавное переключение и поддерживая стабильное выходное напряжение, необходимое для работы электролизера.

Предлагаемая система управления основана на частотно-импульсной модуляции с двумя сигналами обратной связи, которые непрерывно контролируют входное напряжение и выходной ток. Такая архитектура позволяет преобразователю автономно регулировать частоту переключения в ответ на внешние возмущения, обеспечивая безопасную и эффективную работу резонансного контура. Стратегия управления разработана таким образом, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, необходимое для водородных электролизеров, которые чувствительны к отклонениям напряжения и полагаются на стабильные электрические условия для достижения высокого фарадеевского КПД, предотвращения разрушения мембран и обеспечения долгосрочной эксплуатационной надежности. Регулируя частоту переключения вместо того, чтобы полагаться на классическое управление в режиме поддержания напряжения или тока, система обеспечивает быструю динамическую реакцию, снижает нагрузку на полупроводниковые приборы и улучшает совместимость с гибридными энергетическими системами.

Разработана  комплексная  имитационная  модель  преобразователя  и  его  системы  управления  для  оценки производительности  в  условиях,  характерных  для  реальных  водородных  энергетических  установок.  Модель включает в себя подробные описания резонансного контура, переключающих устройств, механизмов обратной связи и логических компонентов. Рассмотрено несколько критических сценариев работы, включая запуск при максимальной  нагрузке,  резкое  снижение  и  повышение  входного  напряжения,  ступенчатые  изменения  мощности нагрузки и переходы между режимами работы с низкой и высокой мощностью. Эти сценарии отражают типичные сбои, возникающие на комплексных установках по производству водорода, использующих возобновляемые источники энергии, где входное напряжение может колебаться из-за изменчивости солнечной радиации или непостоянства ветра, а нагрузка может быстро меняться в зависимости от графика производства водорода или требований к питанию топливных элементов.

Результаты моделирования показывают, что предлагаемая система управления поддерживает требуемое выходное напряжение с минимальными пульсациями, обеспечивает плавное переключение полупроводниковых приборов во всех режимах работы и обеспечивает быструю динамическую реакцию без превышения или нестабильности. Преобразователь постоянно регулирует частоту переключения, чтобы компенсировать внешние помехи, обеспечивая бесперебойную и предсказуемую работу. Эти характеристики необходимы для водородных электролизеров, которым требуется точное регулирование напряжения для поддержания стабильных электрохимических характеристик, а также для топливных элементов, которые зависят от регулируемой подачи энергии, чтобы избежать разрушения мембранных электродных узлов.

Помимо технических характеристик самого преобразователя, исследование подчеркивает более широкое значение предлагаемого метода управления для интеграции водородной энергетики. Современные водородные установки все чаще работают как часть многовекторных энергетических систем, где потоки электрической, тепловой и химической энергии должны быть скоординированы для достижения максимальной эффективности и  стабильности  энергосистемы.  В  таких  условиях  силовые  электронные  преобразователи  должны  не  только регулировать напряжение и ток, но и способствовать оптимизации системного уровня, поддерживать скоординированные стратегии управления и учитывать изменчивость возобновляемых источников энергии. Топология CSRC в сочетании с разработанной системой управления предлагает многообещающее решение для удовлетворения этих требований, обеспечивая высокую эффективность, быструю реакцию на переходные процессы и совместимость с распределенными энергетическими ресурсами.

Результаты этой работы способствуют разработке надежных и масштабируемых силовых электронных интерфейсов для водородной инфраструктуры. Предлагаемый метод управления повышает стабильность работы электролизеров и топливных элементов, поддерживает их интеграцию в гибридные энергетические системы и обеспечивает более гибкое взаимодействие с электрической сетью. В исследовании также намечены пути дальнейшего совершенствования, включая включение дополнительных механизмов обратной связи для компенсации длительного старения компонентов, изменения параметров, зависящих от температуры, и изменений окружающей среды. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на разработке экспериментальных прототипов для проверки результатов моделирования в реальных условиях эксплуатации и изучении роли преобразователя в расширенных функциях поддержки электросети, таких как реагирование на запросы, регулирование частоты и сглаживание за счет возобновляемых источников энергии.

В целом, эта работа обеспечивает всестороннюю основу для внедрения интерфейсов на основе резонансных преобразователей в системах водородной энергетики и демонстрирует их потенциал для удовлетворения меняющихся требований к интегрированной, сетевой интерактивной водородной инфраструктуре.