Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
№ 22-27 (2019)
Скачать выпуск PDF

I. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 1. Солнечная энергетика

12-20 68
Аннотация

Основным параметром обеспечения оптимальной работы фотоэлектрической системы является определение положения этой системы в соответствии с доступной плотностью солнечного излучения на данной местности. Для прогноза производительности важно знать температуру окружающей среды, так как на выходные параметры системы влияет температура солнечных элементов, что выражается в температурных коэффициентах. Таким образом, варьируя температуру элементов с помощью конструктивных решений, таких как теплоотвод или фототеплопреобразовательная система, можно оптимизировать работу фотоэлектрической системы в целом. В статье продемонстрирована работа установки собственной разработки для измерения параметров солнечных элементов. Представлены результаты измерений по определению температурных коэффициентов тонкопленочных элементов. Для сравнения сделаны измерения выходных параметров монокристаллических и тонкопленочных фотоэлектрических модулей (ФЭМ) на основе аморфного кремния CdTe и CIGS при различных значениях температуры - от 20 °С до 80 °C.

Рассчитано изменение мощности ФЭМ при различных рабочих температурах по сравнению со стандартными условиями тестирования (STC). Измеренные таким образом параметры были нормированы к STC. Представлены температурные зависимости нормализованных значений максимальной выходной мощности, коэффициента заполнения, силы тока короткого замыкания и напряжения холостого хода. С повышением температуры во всех модулях наблюдалось уменьшение напряжения холостого хода. Наиболее резкое снижение коэффициента заполнения с повышением температуры зафиксировано в монокристаллическом модуле, которое в совокупности со снижением напряжения холостого хода показало самое большое снижение выходной мощности - 15,9 %, 20,4 % и 25,1 % при 60 °C, 70 °C и 80 °C соответственно. Доказано, что все ФЭМ на основе тонкопленочных технологий имеют меньшие значения температурного коэффициента выходной мощности по сравнению с монокристаллическими модулями, наименьшее из них у CdTe.

Определены задачи дальнейшего технического и программного усовершенствования разработанной установки для обеспечения динамического изменения интенсивности освещения, температуры и скорости ветра по задаваемой программе.

I.ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2. Ветроэнергетика

21-29 59
Аннотация

В статье рассматривалась проблема энергообеспечения удаленных северных территорий на примере Соловецкого архипелага. На территории Российской Арктики  находится большое количество удаленных населенных пунктов, не подключенных к системе централизованного электроснабжения. Энергообеспечение этих районов осуществляется  маломощными  электростанциями, работающими на дизельном топливе. В связи с большими затратами на транспортировку топлива стоимость производства энергии для таких систем высока. Помимо этого, при транспортировке существует риск разливов и утечек топлива. В качестве одного из вариантов решения данных проблем анализировалась возможность использования собственных энергоресурсов, в частности энергии ветра. Древесное топливо не может быть использовано на островах, так как вырубка лесов запрещена на территории архипелага.

Исследован  ветроэнергетический  потенциал Соловецкого  архипелага, проанализированы метеоданные о скорости и направлении  ветра за период с 2000 г. по 2017 г. для высоты  50 м исследовательского центра NASA Langley. Анализ метеоданных за 18 лет позволил построить розу ветров, с высокой точностью характеризующую  климат ветров для данной местности. В ходе исследования  проведено моделирование работы парка ветроэнергетических установок и вычисление  среднегодовой производительности ветропарка с помощью программного обеспечения WindSim, которое применяет вычислительную  гидродинамику для оптимизации размещения ветроэнергетических установок на сухопутных и морских электростанциях.

В результате исследования вычислены  среднегодовая производительность  парков ветроэнергетических установок, расположенных в разных частях острова. Для понимания влияния расположения установок относительно друг друга на среднегодовую производительность были испытаны три модели потерь. Установлено, что потери для выбранного местоположения  достигают 9,9 %. В результате сравнения среднегодовой производительности парка ВЭУ в летний и зимний периоды было определено, что зимой производительность выше, чем летом, это имеет значение при эксплуатации парка в северных условиях. В будущем данное исследование может стать основой для внедрения возобновляемых ветроэнергетических технологий на отдаленных островах в Арктическом регионе.

I. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 5. Энергия биомассы

30-41 66
Аннотация

Несмотря на доминирование углеводородного топлива в топливно-энергетическом комплексе мира и России, продолжаются исследования в области получения биотоплива из различных видов биомассы. Эти работы являются актуальными как с точки зрения получения фундаментального знания и развития технологий, так и поиска условий рентабельного производства биотоплива с помощью различных технологий переработки биомассы. В статье в качестве источника биомассы для получения топлива рассматриваются микроводоросли (МКВ).

К настоящему времени разработан и апробирован ряд методов конверсии МКВ в биотопливо (биодизель, биоэтанол, биобутанол, биомасло, биочар, биометан, биоводород и т.д.). Одним из узких мест этих технологий является высокая влажность биомассы МКВ, требующая значительных затрат энергии на сушку перед переработкой биомассы в топливо. Кроме того, в случае производства биотоплива, например, биодизеля, конвертируется только липидная часть биомассы, в то время как оставшееся сырье, включая белки и углеводы, не участвует в производстве биотоплива. В связи с этим в последние годы к МКВ была применена технология гидротермального сжижения (Hydrothermal liquefaction – HTL), не требующая сушки биомассы, и, следовательно, обеспечивающая более низкие производственные затраты.

Для повышения экономической привлекательности биотоплива большое значение придается получению попутных целевых продуктов, дающих дополнительную прибыль. В этих же целях проводят территориальный анализ и поиск площадок для размещения производственных мощностей, где культивирование и переработка МКВ требует минимальных затрат. В представленной работе проведен анализ влияния региональных, климатических и инфраструктурных факторов на производство и комплексное использование биомассы МКВ. В качестве объекта исследований были выбраны МКВ Arthrospira platensis и Dunaliella salina, а в качестве региона исследований – Республика Дагестан в связи с благоприятными климатическими условиями и наличием ресурсов для культивирования МКВ (морская вода как источник макро- и микроэлементов, геотермальные месторождения как низкотемпературный источник тепла, цементные заводы и тепловые электростанции как источник СО2). Определены районы Республики, потенциально пригодные для получения биотоплива и попутных целевых продуктов из МКВ.

II. НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 9. Атомная энергетика

42-52 60
Аннотация

Обоснована актуальность обеспечения АЭС базисной электрической нагрузкой в условиях увеличения их доли в структуре энергосистем. В этой связи как альтернативный путь использования гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) на основе научного задела авторов статьи приводятся схемы комбинирования водородного комплекса с АЭС с обоснованием их эффективности. Это схемы комбинирования, в которых полученный от сжигания водорода с кислородом водяной пар смешивается с паром паротурбинного цикла АЭС и перегревает его. При этом выработка пиковой электроэнергии на АЭС при комбинировании с водородным комплексом может осуществляться эффективно при использовании паро-водородного перегрева свежего пара за счет двухступенчатой водород-кислородной камеры сгорания, установленной перед цилиндром высокого давления паровой турбины. Возможен вариант с установкой постоянно действующей дополнительной паровой турбины, что наряду с получением дополнительной пиковой мощности позволяет повысить надежность электроснабжения собственных нужд АЭС в условиях крупных системных аварий с обесточиванием за счет пара, полученного от остаточных тепловыделений в реакторах. Разработана новая схема комбинирования на основе замкнутого водородного цикла, в которой полученный от сжигания водорода пар первоначально осуществляет дополнительный подогрев питательной воды перед входом в парогенератор и затем перегревает пар паротурбинного цикла АЭС перед турбиной без смешения за счет теплообменных поверхностей нагрева. В схеме предусмотрен каталитический дожигатель непрореагировавшего водорода. Исследована системная эффективность новой разработанной схемы. Приводятся исходные данные и методика обеспечения равного отпуска пиковой электроэнергии при сравнении с ГАЭС. Приведены результаты оценки эффективности дополнительного подогрева питательной воды и перегрева свежего пара перед турбиной. Показано, что использование большей части тепла от сжигания водорода для начального перегрева свежего пара термодинамически более выгодно и эффективно, поскольку уменьшает затраты замещаемой мощности при сравнении с ГАЭС. Приведены результаты оценки чистого дисконтированного дохода в сравниваемых вариантах. Показано, что вариант водородного комплекса с наименьшими затратами замещаемой мощности конкурирует с ГАЭС при ее удельных капиталовложениях 660 долл./кВт. Варианты ГАЭС при удельных капиталовложениях свыше 660 долл./кВт не выдерживают конкуренции с водородным комплексом.

53-63 62
Аннотация

Рассматривались вопросы технико-экономической эффективности сжигания водорода с избытком окислителя при комбинировании АЭС с водородным энергокомплексом на базе замкнутого водородного  цикла. Сжигание водородного  топлива с избытком окислителя позволяет минимизировать недожог водородного  топлива и повысить эффективность водородного  цикла. Установлено, что данный подход обеспечивает безопасное и эффективное увеличение мощности и КПД АЭС посредством  повышения температуры пара в цикле паротурбинной установки (ПТУ) за счет сжигания водородного топлива в кислороде. Повышение эффективности водородных циклов на АЭС обеспечивает дальнейшее развитие экологически чистой энергетики на основе атомно-водородных технологий и возможность эффективной загрузки АЭС в условиях неравномерности графика электропотребления в энергосистемах страны. Изучена технико-экономическая эффективность сжигания водорода с избытком окислителя на базе замкнутого водородного  цикла. Проведена оценка эффективности схемы комбинирования  АЭС с водородным циклом за счет использования замкнутой системы сжигания водорода с избытком окислителя. Такой подход позволяет безопасно использовать тепло водородного  топлива для повышения параметров острого пара перед паротурбинной установкой. Показано,  что реализация схемы с избытком окислителя позволяет отказаться  от предварительной системы охлаждения продуктов сгорания,  что дает возможность  более эффективно использовать тепло водородного  топлива за счет более значительного повышения температуры острого пара и соответствующего прироста мощности ПТУ.

Получены основные показатели сравнительной технико-экономической эффективности реализации предлагаемой схемы комбинирования АЭС с водородным энергокомплексом  на базе замкнутого цикла сжигания водорода с избытком окислителя. Показано,  что себестоимость производства дополнительной электроэнергии оказывается конкурентоспособной по сравнению со схемой предварительного охлаждения продуктов сгорания. При этом расчет накопленного чистого дисконтированного дохода показал эффективность предлагаемой схемы водородного перегрева пара на АЭС с учетом возможной экономии природного газа в энергосистеме. Полученные результаты могут быть использованы при разработке систем повышения маневренной эффективности АЭС.

IV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономика

64-78 70
Аннотация

В России остро стоит проблема отработки новых безопасных и безотходных технологий переработки отходов, в частности, она входит в задачи комплексного освоения Арктики. Решить эту проблему можно с помощью технологий водородной электроэнергетики. Проанализирована структура и методика безотходных технологий переработки отходов. Отходы делятся на наиболее распространенные твердые отходы промышленности и жизнедеятельности, включая природные и техногенные (свалки); жидкие отходы, в том числе стоки илов бытовой и дождевой канализации, нефтяных и др. промышленных отходов; фильтрат полигонов, включая свалочные газы; отходы при транспортировке и перегрузке нефтепродуктов и др. Описаны методы и устройства очистки (промышленные судовые установки), их характеристики в условиях Арктики. Данные устройства включают: инсинераторы, установки для очистки стоков и фильтрата сточных вод ТКО, опреснительные установки обратного осмоса с использованием снего- и ледоплавильных установок, установки по очистке и фильтрации дымовых газов с упором на способы электрической очистки, стендеры для погрузочно/разгрузочных работ нефтепродуктов и опасных отходов. Показаны преимущества применения водородных источников и накопителей электроэнергии с использованием СПГ в условиях Арктики как в части энергоэффективности, так и экологии, а также возможности их совместной эксплуатации с судовыми установками переработки отходов. Приведены характеристики твердооксидных и твердополимерных топливных элементов и области их применения. Для наиболее динамично развивающихся твердооксидных элементов даны характеристики в простом и когенерационном циклах, указана область их применения в малой и распределенной энергетике на мощности до 10 кВт. Перечислены характеристики традиционных источников электроэнергии на базе судовых и авиационных газотурбинных установок, работающих на СПГ, которые могут применяться в автономных сетях энергоснабжения арктических объектов. Продемонстрированы преимущества этих установок по удельной мощности по сравнению с дизельными энегоустановками и накопителями. Отмечено, что высокое потребление СПГ и экологические показатели ограничивают применение этих устройств в Арктике с учетом затрудненной логистики. Показано, что энергоэффективность водородных накопителей значительно выше традиционных источников, причем если КПД последних повышается с ростом их мощности, то КПД накопителей практически не изменяется во всем диапазоне мощностей.

V. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. 13. Наноструктуры

79-91 51
Аннотация

Проведен анализ экспериментальных результатов по влиянию вакансионно-кластерных структур на свойства металлов. Рассмотрены два технологических подхода получения таких структур: компактирование нанопорошков при высоком (до 5 ГПа) гидростатическом прессовании на примере нанопорошка Ni (70 нм) и кристаллизация Al и Pb в условиях высокоинтенсивной пластической деформации [ε′ = (102–104) сек–1] (ВИПД) на границе раздела «твердое – жидкое» в аппарате центробежного литья при скорости вращения ротора до 2 000 об/мин. Обсуждалась физическая модель образования вакансионно-кластерных структур в металлах двумя этими способами. Установлено, что при ВИПД на стадии кристаллизации расплава на фоне высокой стационарной концентрации неравновесных вакансий образуется новый тип элементов структуры – вакансионных кластерных трубок. Проведен сравнительный анализ изменения механических, магнитных и сверхпроводящих свойств структурированных металлов. Определено, что при ВИПД порядка ε′ = (102–104) сек–1  в условиях специально подобранных режимов кристаллизации металла (Al и Pb) в аппаратах высокоскоростного центробежного литья создаются условия для реализации размерного эффекта динамической (сдвиговой) рекристаллизации. Сдвиговая деформация при центробежной кристаллизации вызвана прежде всего большим градиентом температурного поля от периферии (относительно холодной стенки ротора) к расплавленной центральной части ротора. Разность угловых скоростей перемещения части металла, прилегающей к внешней поверхности стенки ротора (уже застывшей), и центральной части (еще в расплавленном состоянии) приводит к высокоинтенсивной деформации [ε′ = (102–104) сек–1] твердой застывшей фазы закристаллизованного расплава металла. Поскольку размеры зерен закристаллизованной фазы в начальный момент составляют порядка десятков нанометров (порядка размера зародыша кристаллизации), возникает возможность для реализации размерного эффекта динамической рекристаллизации «нанокристаллического» затвердевшего металла при высоких скоростях сдвиговой деформации. Образующиеся при этом неравновесные вакансии конденсируются в вакансионные кластеры, которые в поле центробежных сил формируются в виде вакансионных кластерных трубок, вытянутых к центру вращения ротора. Этот процесс протекает в условиях значительно удаленных от равновесных в сравнении с обычной кристаллизацией металла из расплава. Такие процессы могут приводить к образованию высокоупорядоченных неравновесных состояний, характерных для неравновесных открытых систем.

XII. ТРАНСПОРТНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА 29. Бортовые аккумуляторы

92-106 91
Аннотация

Проблема энергоэффективности и энергосбережения является одной из центральных для развития современной цивилизации. В Российской Федерации, как и во всем мире, разрабатываются технологии для перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, а также ведется поиск новых источников и способов транспортировки и хранения энергии, что в перспективе позволит снизить затраты на использование электроэнергии и экономическую нагрузку на потребителя. В России главные проблемы применения систем аккумулирования тепла заключаются в их низкой конкурентоспособности и эффективности по сравнению с традиционными источниками тепла. Решить эти проблемы можно за счет новых композитных теплоаккумулирующих материалов краткосрочного и долгосрочного действия, с различными рабочими температурами, временем передачи тепла, различной плотностью аккумулирования тепла и т.д. в зависимости от климатических условий регионов России. Несмотря на значительное количество исследований характеристик теплоаккумулирующих материалов и попыток их систематизации, до сих пор нет количественно достоверных данных, тогда как рекомендации по выбору лежат в основе разработки оптимальных теплоаккумулирующих материалов для конкретных приложений. В настоящее время не существует достаточно эффективных тепловых аккумуляторов для хранения тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения зданий в сложных климатических условиях. В работе рассмотрены основные принципы накопления тепла, основные виды и свойства теплоаккумулирующих материалов, а также критерии, обусловливающие их применение в системах хранения тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения. Проведен предварительный выбор кристаллогидратов солей в качестве потенциальных материалов для отопительных систем. На основе факторного анализа систематизированной из доступных литературных источников количественной информации, проведена обработка данных и предложена схема выбора теплоаккумулирующих материалов для отопительных систем в сложных климатических условиях России.

XXII. ИНФОРМАЦИЯ В ОБЛАСТИ АЭЭ. 41. Информация



ISSN 1608-8298 (Print)