Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
№ 13-15 (2017)
Скачать выпуск PDF

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

14-23 258
Аннотация

Рассматривалось воздействие объектов электроэнергетики на экологию, характеризующееся выбросами вредных веществ в атмосферу, сбросами загрязненных стоков в водные объекты, загрязнением окружающих территорий. Наиболее пагубное влияние на окружающую среду объекты энергосистемы оказывают посредством выбросов следующих веществ: оксидов азота, двуокиси серы, твердых частиц и СО2, а также мелких частиц золы. На основе отчетных данных по выработке электроэнергии и выбросам за период с 2011 г. по 2015 г. определено среднее количество выбросов на количество произведенной энергии в регионе.

Развитие ветроэнергетики в перспективных регионах России может стать альтернативой традиционным объектам энергетики. В статье производится оценка ветровых ресурсов Нижневолжского региона (Астраханская, Волгоградская и Ростовская области) на основе многолетних метеорологических измерений 5 метеостанций в период с 2006 г. по 2016 г. с учетом поправочных коэффициентов: шероховатости подстилающей поверхности, увеличения скорости ветра с высотой. На основе соотношения диаметра ротора и рабочей высоты ветроустановок (более 80 моделей) получено усредненное значение этой зависимости для получения поправочных коэффициентов с учётом диаметра ротора. Значение возможной годовой выработки электроэнергии ветроустановками различного диаметра позволяет оценить эффект в снижении негативного влияния объектов тепловых электростанций. 

ЭНЕРГОКОМПЛЕКСЫ НА ОСНОВЕ ВИЭ

24-36 630
Аннотация
Рассмотрена актуальная проблема использования возобновляемых источников энергии для бесперебойного и надежного энергоснабжения централизованных и децентрализованных потребителей. Дан анализ особенностей климатических зон Краснодарского края с учетом экономического и энергетического потенциалов возобновляемых источников энергии. Анализируются характеристики объектов малой гидроэнергетики. Оценивается потенциал солнечной и ветровой энергии на территории Краснодарского края. Приводятся данные Системного оператора Единой электроэнергетической системы России с указанием суммарной установленной электрической мощности солнечных электростанций на 1 января 2017 г. Кроме того, приводятся данные действующих и проектируемых централизованных и изолированных энергосистем, использующих такие возобновляемые источники энергии, как ветер и солнечная радиация.

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

37-60 194
Аннотация
На базе молекулярно-кинетических представлений разработана статистическая теория фазовых превращений температурного распада аланата калия KAlH4 с образованием более сложного аланата K3AlH6 и гидрида калия KH и дальнейшим дегидрированием последнего с выходом свободного водорода, чистого калия и алюминия. Рассчитаны свободные энергии фаз распада, найдена их зависимость от температуры, давления, состава по металлам, концентрации водорода, активности его атомов и энергетических параметров. Изучены также бищелочные аланаты K2MAlH6 (M=Na, Li) и Na2LiAlH6. Приведен ряд литературных экспериментальных графиков тепловых процессов распада аланатов, оценены усредненные значения температур фазовых превращений. Для разных значений температуры построены графики зависимости свободных энергий фаз от концентрации водорода, минимумы которых определяют равновесные состояния. Установлены возможности проявления двух таких минимумов, соответствующих стабильному и метастабильному состоянию фазы. Найдена температурная зависимость равновесной концентрации водорода, выявлена ее особенность в области концентрации водорода с = 0,5. Получены графики температурной зависимости выделяющегося свободного водорода из каждой фазы и такой график при протекании всех химических реакций распада аланата. На последнем выявлены изломы в точках фазовых переходов, которые экспериментально могут проявляться в виде изгибов. Построены также изотермы абсорбции-десорбции водорода и изоплеты содержания водорода в фазах. Установлена возможность проявления гистерезисного эффекта. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными, получено их качественное соответствие.
61-67 185
Аннотация

Рассматривается одно из важных направлений современного материаловедения – создание и развитие новых материалов, пригодных для использования в электрохимических устройствах, в том числе, в качестве электролитических материалов твердооксидных топливных элементов. В этой области существует задача поиска недорогого и технологичного твердого электролита с высокими значениями электропроводности и стабильного в окислительной и восстановительной атмосфере. В настоящее время перспективными устройствами являются среднетемпературные твердооксидные топливные элементы (200–500 oC), так как средние температуры наиболее оптимальны с точки зрения энергетических затрат. Перспективными ионными и протонными проводниками в этом температурном диапазоне являются электролиты на основе кислородно-дефицитных сложных оксидов. Основное внимание уделяется ниобату бария-кальция – хорошо известному кислородно-ионному и протонному проводнику. Катионное замещение является наиболее распространенным способом улучшения его транспортных свойств. Анионное замещение – это новый метод, обусловливающий рост ионной и протонной проводимости. Так, на примере протонного проводника индата бария была показана принципиальная возможность замещения ионов кислорода фторид- и хлорид-ионами, сопровождавшегося улучшением транспортных свойств галогензамещенных фаз с малой концентрацией допанта относительно недопированной матрицы.

В настоящей работе был впервые синтезирован новый протонный проводник – хлорзамещенный ниобат бария-кальция Ba2CaNbO5,5-δ/2Clδ . Синтез осуществлялся керамическим методом с максимальной температурой отжига 1 300 оС. Установлено, что полученный сложный оксид характеризуется кубической структурой двойного перовскита. Введение хлорид-ионов, обладающих большим радиусом относительно ионов кислорода, приводит к росту параметра элементарной ячейки. Доказано, что состав Ba2CaNbO5,5-δ/2Clδ способен к диссоциативному поглощению воды из газовой фазы; предел гидратации понижается относительно матричного состава Ba2CaNbO5. 

НАНОСТРУКТУРЫ

68-76 205
Аннотация

Работа относится к области исследования динамики кристаллической решетки методом дифракции нейтронов. С помощью данного метода изучена зависимость усредненного среднеквадратичного смещения атомов в карбонитридах титана TiCxNy при различных концентрациях неметаллов – углерода и азота. Установлена аномальная зависимость усредненного среднеквадратичного смещения атомов в карбонитридах титана TiCxNy от относительной общей концентрации неметаллов (С+N)/Ti. Со снижением общего содержания неметаллов, то есть с отклонением состава сплава от стехиометрии, значения теплового фактора на нейтронограмме и усредненного среднеквадратично- го смещения атомов сначала уменьшаются до общей концентрации неметаллов (С+N)/Ti ≈ 0,80, а при дальнейшем отклонении состава от стехиометрии – увеличиваются. Немонотонное изменение среднеквадратичного смещения атомов с отклонением от стехиометрии позволяет предположить, что динамическое искажение (амплитуда тепловых колебаний атомов) в решетке преобладает над статическим искажением, так как в противном случае общее СКС должно было только возрастать. Это свидетельствует о сложной концентрационной зависимости межатомного взаимодействия в карбонитридах титана, которое имеет гетеродесмический характер, отличающийся наличием ионной, ковалентной и металлической химических связей.

Кроме усредненных среднеквадратичных смещений определены индивидуальное среднеквадратичное смещение атомов и значения температуры Дебая в стехиометрических карбонитридах титана TiCxNy при различных концентрациях неметаллов (С и N). Они практически равны при разных соотношениях атомов углерода и азота. Результаты могут быть полезными для материаловедов и конструкторов, занимающихся инструментальной техникой, а также получением безвольфрамовых конструкционных тугоплавких материалов для прогнозирования динамических характеристик карбонитридов титана и управления этими характеристиками. 

ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

77-90 210
Аннотация

Рассматривается актуальная задача по изучению лунной поверхности в целях создания обитаемой станции, а также по предотвращению астероидной опасности, решение которой предусматривает, в частности, бурение скважин глубиной до десятка метров. В этой связи считается целесообразным использовать в качестве разгонного устройства ударного стенда ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ), обеспечивающий исследование поведения модели и натурного образца при действии на него перегрузок, достигающих 50–200, и скоростей входа образца в грунт до 100–1 500 м/с при разгоне.

В качестве модели испытываются проникающие зонды – пенетраторы, которые могут быть представлены в разном исполнении: инерционные, одно- и многомодульные с ракетными двигателями твердого топлива. Пенетраторы с РДТТ обладают целым рядом преимуществ, главными из которых являются высокая энерговооруженность при минимальной массе, надежность и простота эксплуатации.

Рассмотрен алгоритм расчета энергетических характеристик разгонной системы с РДТТ и предложена принципиальная схема ударного стенда для исследований пенетраторов. Проведен анализ и определены параметры РДТТ для исследований образцов в требуемом диапазоне изменения перегрузок и скоростей входа в грунт. Приведена методика и технология проведения экспериментов и исследований движения пенетраторов в модельных грунтах с учетом обеспечения безопасности испытаний.

Рекомендованная установка для отработки пенетраторов предназначена для исследований в широком диапазоне изменения скоростей входа образца в грунт Vвх. 

91-99 235
Аннотация
Исследован механизм адсорбции угарного газа на полупроводнике – диоксиде олова (SnO2). Для объяснения процесса адсорбции использовалась теория функционала плотности (ТФП). Показано, что адсорбция не подчиняется механизму Марс-ван Кревелена для (101) и (001) ориентаций поверхности, в отличие от (110) и (001) ориентаций, где сначала образуется, а затем десорбируется молекула CO2. После адсорбции на (101) и (001) поверхностях, CO связывалась с поверхностью и передавала этой поверхности электроны. Перенос электронов рассчитывался с помощью анализа зарядов (расчет заряда отдельных атомов в молекулах и кристаллах с использованием метода Бейдера), из которого следует, что количество электронов, переданных (101) и (001) поверхностям, больше количества электронов, переданных (110) и (100) поверхностям. При (001) ориентации рассматривались случаи полного и пятидесятипроцентного покрытия поверхности. Показано, что при полном покрытии, только одна молекула CO может адсорбироваться и передавать 2е заряда. Для того чтобы объяснить увеличение проводимости поверхности, была рассчитана электронная плотность состояний.
101-110 216
Аннотация

Рассмотрен азотно-кислотный экстракционный аффинаж урана, существенным недостатком которого является отсутствие технологии утилизации азотной кислоты из рафинатов. В подавляющем большинстве случаев отработанная азотная кислота нейтрализуется щелочным агентом, а нитраты щелочных или щелочноземельных металлов сбрасываются в хвостохранилища. Один из возможных способов обращения с рафинатами – их карбамидная денитрация, сводящая к минимуму непроизводительные потери азотной кислоты. Однако до настоящего времени вопрос эффективного обращения с осадком нитрата мочевины (СО(NH2)2·HNO3) оставался нерешённым.

Изложены результаты исследований, направленных на решение проблемы утилизации нитрата мочевины. Нитрат мочевины может быть переработан в аммиачную селитру посредством кислотного гидролиза мочевины. Предметом исследований был раствор, содержащий 200 г/л нитрата мочевины, и раствор, содержащий 200 г/л нитрата мочевины и 100 г/л азотной кислоты. Процесс изучали в интервале температур 70–150 ºС при атмосферном и повышенном давлениях с использованием автоклава. ИК-спектры продуктов гидролиза нитрата мочевины подтвердили полноту протекания процесса в течение 4 часов при 150 ºС и давлении 30 атм. Введение в реакционный объём эквимолярного количества азотной кислоты увеличивает скорость гидролиза нитрата мочевины в 2 раза и не препятствует полноте его превращения в нитрат аммония. Энергия активации гидролиза нитрата мочевины составляет 28,9 кДж/моль, что сопоставимо с энергией активации ферментативного (уреаза) гидролиза мочевины. Гидролизат нитрата мочевины (нитрат аммония) может быть использован в качестве десорбирующего раствора в процессе сорбционного аффинажа урана при подземном выщелачивании урана. 

ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ В ОБЛАСТИ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ

111-122 231
Аннотация

В статье рассматривается новая концепция конструирования автономных тепловых пунктов за счёт ис-пользования теплоты сетевой воды для генерации электроэнергии и привода необходимого оборудования, включая электропитание насосов, схем автоматики, водоподготовки, освещения и других потребителей. Новый поход позволит создать условия для безопасного функционирования всей системы энергоснабжения микрорайона в случае аварий или террористических атак. Новая энергоустановка не нуждается в подаче топлива, как, например, дизель электростанция, так как источником для производства электроэнергии служит горячая вода, поступающая на тепловой пункт от магистральных теплопроводов ТЭЦ. В качестве рабочей среды электрогенерирующего паросилового контура предложены низкокипящие пожаробезопасные рабочие тела типа фреонов. В качестве примера реализации данной концепции предлагается установка, включенная в состав центрального теплового пункта. Представлена тепловая схема модернизированного центрального теплового пункта; показаны основные элементы, позволяющие прояснить принцип функционирования установки и способ получения электроэнергии из горячей воды (источником теплоты является горячая вода, поступающая по подающему трубопроводу из теплосети в теплообменник-парогенератор рабочего тела). Дана оценка эффективности новой установки с помощью эксергетической диаграммы. Проведенные расчеты показали высокую эксергетическую эффективность новой энергоустановки.

Показано, что кроме повышения надежности и решения проблемы безопасности энергоснабжения района, новая энергоустановка является экономически выгодной, поскольку стоимость единицы электроэнергии, вырабатываемой для собственных нужд, в 3–4 раза ниже покупной ввиду отсутствия посредников и высокого эксергетического КПД установки.

МУЛЬТИРЕЖИМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА

123-133 85
Аннотация

Представлены результаты математического моделирования активного воздействия на высокоскоростное обтекание при формировании изобарической области при инжекции газа в поток. Это может обеспечить существенное снижение энергозатрат и выбросов при высокоскоростном движении. Ранее считалось, что изо- барические режимы реализуются при скорости звука в инжектированном газе, превышающей скорость потока. С учетом ограничений на допустимые температуры инжектируемых газов указанное условие накладывает жесткие ограничения на набор газов, применимых для инжекции (гелий, водород). Эти криогенные газы в ряде случаев практически неудобны из-за проблем хранения.

Рассмотрена инжекция относительно тяжёлых и холодных газов, для которых скорость звука до 2–3 раз меньше скорости потока. Ранее изучался «расчетный» режим, при котором расход газа при инжекции равен расходу газа в турбулентном пограничном слое. Рассмотрены режимы с расходом газа больше «расчетного». Показано, что «лишний» газ оттесняет вихревую полосу и эффективно увеличивает поперечное сечение обтекаемого тела. Кроме того, обнаружен режим, при котором изобарическая область перекрывает только часть поперечного сечения тела (при недостаточном расходе инжекции). Другой режим, характеризующийся формированием больших вихрей, колебанием газодинамических параметров и ростом аэродинамического сопротивления, наблюдался несколько десятков пролётных времён после возмущения в течение (70…100)∙t*, где t* – пролётное время. Этот переходный режим характерен для инжекции относительно тяжёлых и холодных газов. Во всех рассмотренных случаях формировалась изобарическая область инжектированного газа. Это значительно расширяет номенклатуру газов, применимых для формирования изобарических режимов инжекции. 

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ

134-143 214
Аннотация

Рассматриваются вопросы энерго- и ресурсосбережения при использовании отходов производства в качестве альтернативного топлива. Объектом исследования выступает избыточный активный ил, который образуется на станциях биологической очистки сточных вод и складируется на иловых картах, что приводит к отчуждению значительных площадей земли. Для вторичного применения избыточного активного ила в качестве вторичного материального ресурса требуется его предварительное обезвоживание в связи с высокой обводненностью. Для повышения эффективности обезвоживания избыточного активного ила путем центрифугирования предлагается дозировать в суспензию активного ила карбонатный шлам водоподготовки, образующийся на тепловых электрических станциях на стадии известкования и коагуляции природной добавочной воды. После механического обезвоживания путем окатывания в присутствии связующего были получены топливные гранулы, которые могут использоваться для выработки тепловой и электрической энергии в качестве альтернативного топлива. По результатам исследования в качестве наиболее эффективного связующего был выбран лигносульфонат технический – побочный продукт деревообрабатывающей промышленности.

Представлен элементный анализ топливных гранул, а также их теплота сгорания. На основании полученных результатов предложена технологическая схема получения и сжигания топливных гранул на основе избыточного активного ила и шлама водоподготовки, включающая в себя стадию перемешивания компонентов, механического обезвоживания (центрифугирования), сушки, окатывания и сжигания отходов (сжигание происходит в печи с псевдоожиженным слоем). Использование топливных гранул на основе избыточного активного ила и шлама водоподготовки позволяет эффективно утилизировать отходы промышленных предприятий нефтехимического и теплоэнергетического комплексов и перейти к эксплуатации возобновляемых энергоресурсов. 

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВА

144-154 158
Аннотация

Анализируется теория дифракции, с помощью которой сегодня решается большинство дифракционных задач. Авторами были поставлены эксперименты, результаты которых теория дифракции не объясняет.

Представлены экспериментальные результаты, в которых контрастность дифракционных картин меняется от нуля до величин, в несколько раз превышающих наблюдаемые в классических дифракционных опытах. Обсуждается вопрос возможности создания усовершенствованной теории дифракции, в которой будут учтены реальные физические процессы, имеющие место при ограничении световых пучков диафрагмами или зеркалами. Одним из возможных путей совершенствования методики решения дифракционных задач является введение понятия коэффициента рассеяния. Разработанная методика может быть использована при решении широкого круга дифракционных задач, в том числе расчетов мягких диафрагм для лазерных систем, создаваемых в рамках программы ЛТС – одного из основных направлений в поисках альтернативных источников энергии. Новый взгляд на механизмы дифракции в рамках предлагаемой теории может позволить приблизиться к пониманию реальных процессов в природе световых явлений. 

ИНФОРМАЦИЯ



ISSN 1608-8298 (Print)