Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
№ 16-18 (2017)
Скачать выпуск PDF

НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ

14-15 233
Аннотация

Публикуемая ниже статья принадлежит перу проф. Т.Н. Везироглу – одному из первых авторов концепции Водородной энергетики. В статье, одной из очень многих своих работ, автор изложил вариант построения главных элементов Водородной энергетики – производства водорода из воды в сочетании с процессами его передачи потребителям и использования в различных отраслях.

16-29 250
Аннотация
Описана структура энергетической системы: от выработки энергии и производства водорода до поставки конечным потребителям. Показано, каким образом стационарные потребители могут перейти на водород, и в общих чертах описываются дополнительные возможности по его использованию, способствующие решению проблем загрязнения окружающей среды. Кроме того, продемонстрировано, что применение термоядерной энергии водорода позволит использовать возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия. Описана разработка высокоэффективных топливных элементов для производства электричества вблизи потребителя и его транспортировка. Особое внимание отводится безопасности энергетической системы на основе термоядерной энергии водорода. Показано, что производство термоядерного топлива и распространение водорода в совокупности приведут к созданию системы, которая даст возможность практически исключить негативное воздействие на окружающую среду от сжигания традиционных видов топлива. Кроме того, внедрение такой системы позволит разработать методы и инструменты, которые снизят и количество экологических проблем, не относящихся к использованию энергии.

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

30-42 261
Аннотация

Представлены методы и технологии создания вычислительных систем прогнозирования работы солнечных электростанций (СЭ) в зависимости от параметров метеоусловий. Для создания систем прогнозирования использовались искусственные нейронные сети, включенные в аналитическую платформу “Deductor”, которая обладает широким спектром методов предобработки, предварительного анализа и моделирования данных. В основе этих систем лежат результаты уникального непрерывного четырехлетнего многопараметрического мониторинга характеристик работы СЭ и параметров метеоусловий. Системой мониторинга регистрировались следующие величины: напряжение, ток в цепи нагрузки и мощность, солнечная радиация, внешняя температура, влажность, точка росы, скорость ветра, направление ветра, индекс охлаждения ветром, индекс нагрева, индекс «температура + влажность + ветер», индекс «температура + влажность + ветер + солнце», атмосферное давление, ультрафиолетовый индекс, индекс испарения. Дополнительно определялись две характеристики работы СЭ: плотность мощности и значение коэффициента преобразования солнечной энергии в электрическую. Описаны два варианта созданных многофакторных вычислительных моделей прогнозирования плотности мощности и коэффициента преобразования в зависимости от параметров метеоусловий. Первый вариант использует полный набор регистрируемых параметров метеоусловий, второй вариант – ограниченный набор параметров метеоусловий по данным прогноза Гидрометцентра РФ. Приведены примеры применения обоих вариантов систем прогнозирования. Полученные системы могут быть полезными не только для непосредственного прогнозирования работы СЭ, но и для районирования территории РФ с точки зрения перспектив развития солнечной энергетики и технико-экономического обоснования строительства СЭ. Важность такого подхода к прогнозированию заключается в том, что речь идет не об общепринятом районировании территории РФ по уровню солнечной радиации, а по плотности мощности и коэффициента преобразования солнечной энергии в электрическую. Кроме того, предложенный подход может быть применен для прогнозирования работы ветровых электростанций; термодинамических установок, использующих энергию солнца, и других устройств альтернативной энергетики.

43-56 280
Аннотация

Предложена оригинальная модель прихода солнечной радиации на произвольно-ориентированную поверхность, обеспечивающая прогнозирование основных характеристик солнечного излучения в любой географической точке России. Модель построена на базе изотропной модели Лю и Джордана и позволяет определять приход солнечной радиации на произвольно ориентированную поверхность на любом заданном временном интервале с дискретизацией в одну секунду. Особенностью модели является использование в качестве исходных данных численных значений индекса прозрачности атмосферы и альбедо поверхности, полученных из базы данных NASA SSE (Surface Meteorology and Solar Energy), что обеспечивает высокую точность моделирования величины приходящей солнечной радиации, в том числе, и для территорий, по которым отсутствуют результаты регулярных актинометрических наблюдений. Представлены результаты моделирования среднесуточных значений солнечной радиации для десяти населенных пунктов России, расположенных на территории от 43º до 62º северной широты и от 50 º до 158º восточной долготы. Для проверки адекватности предложенной модели использовались результаты инструментальных наземных актинометрических измерений по метеостанциям, входящим в сеть Всемирной метеорологической организации. Результаты проверки показали, что средняя относительная ошибка модели по всем рассматриваемым метеостанциям не превышает 11,7 % для суммарной солнечной радиации и 24,5 % для рассеянной радиации. Построены гистограммы ошибок моделирования в сравнении с данными Мирового центра радиационных данных и NASA SSE. Анализ гистограмм ошибок показал, что ошибки распределены достаточно равномерно и симметрично относительно нулевого уровня, что свидетельствует об отсутствии систематической погрешности модели. Представлены результаты моделирования суточного хода солнечной радиации для 4 характерных месяцев года в г. Екатеринбурге в сравнении с данными Мирового центра радиационных данных, опубликованных в ежеквартальных бюллетенях «Солнечная радиация и радиационный баланс (Мировая сеть)». Модель реализована в виде отдельной подсистемы в математической программе MatLab/Simulink, что позволяет легко интегрировать ее в состав общей модели энергетического комплекса произвольной конфигурации и применять для проведения исследований, которые связаны с разработкой, проектированием и совершенствованием энергетических систем, включающих гелиоэнергетические установки.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

57-67 180
Аннотация

Предлагаются ортогональные ветро- и гидроагрегаты большой мощности и высокой энергоэффективности. Агрегаты могут иметь относительно большую установленную мощность и при решении некоторых конструктивных проблем должны показать высокую эффективность. В статье показано, что фактическая эффективность агрегатов зависит от их конструкции и может заметно отличаться от расчетных оценок. В ортогональных ветроагрегатах, у которых диаметр трассы лопастей много больше длины лопасти, скорость потока перед тыльным участком трассы лопастей может быть близкой к значениям скорости потока перед агрегатом. Это подтверждается испытаниями и расчетом. Предлагаемая система имеет высокую эффективность за счет использования поперечного (вертикального) турбулентного переноса, восстанавливающего энергию потока перед тыльным участком трассы лопастей.

МАЛАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

68-76 117
Аннотация

В статье рассматривается одно из актуальных направлений альтернативной энергетики – использование энергии морских волн, – более перспективное по сравнению с использованием ветровой и солнечной энергии, так как плотность потока энергии морских волн существенно больше. При одинаковой мощности источников электрической энергии размеры, а значит, и стоимость генераторов, работающих на энергии волн, будут существенно меньше, чем у ветрогенераторов и генераторов, работающих на солнечной энергии. В статье предлагается волновой поплавковый генератор для автономных потребителей энергии, находящихся около водных акваторий и далеко от систем централизованного электроснабжения. Рассматривается математическая модель волнового генератора с поплавком некруглого сечения, основанная на уравнениях динамики и электродинамики. Под воздействием волн поплавок совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение и передается на электрогенератор, вырабатывающий электрический ток. Модель описывается системой дифференциальных и алгебраических уравнений, которые сводятся к обыкновенному неоднородному дифференциальному уравнению второго порядка. Для решения дифференциального уравнения, описывающего основные параметры генератора, разработано программное обеспечение, реализующее расчет средней мощности волнового генератора и выполняющее оптимизацию его параметров. Данное программное обеспечение основано на реализации методов Рунге-Кутта и Симпсона. При расчете средней мощности волнового генератора учитываются следующие параметры: сила тяжести, сила Архимеда, сила упругости пружины, сила сопротивления, длина и амплитуда набегающей волны, масса поплавка и характеристики генератора.

НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА, АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

77-88 157
Аннотация

Обсуждаются явления и процессы, происходящие в уран-графитовых ядерных реакторах, в том числе, в промышленных, энергетических и исследовательских реакторах, при нарушении режима теплосъёма, разрушении оболочки топливного элемента и обезвоживании технологического канала. Рассмотрены аварийные ситуации, приводящие к накоплению в графитовой кладке фрагментов облученного ядерного топлива, в реакторах типа Magnox, HTR, AGR, реакторах B и N в Хэнфорде. Наиболее подробно описаны процессы, происходящие при тяжелых зависаниях твэлов, состоящих из металлического урана. Кроме того, в работе анализируются возможные химические соединения металлического урана при его взаимодействии с оболочкой твэла, материалов технологического канала, парогазовой смесью, водой и графитовой кладкой. Приводятся данные по качественному составу соединений, в которых могут находиться просыпи ядерного топлива в графитовой кладке, полученные с помощью термодинамического метода, в основу которого положен принцип максимума энтропии. Показано, что при достижении температуры плавления металлического урана могут образовываться различные твёрдые и газообразные химические соединения: оксиды, гидриды, карбиды и др., – однако, их концентрация и количество будут определяться, прежде всего, температурой внутри графитовой кладки. В статье приведена разработанная математическая модель процесса обезвоживания и запаривания технологического канала реактора типа B и N, описываемая нестационарным уравнением теплопереноса с граничными условиями первого и второго рода. Представлен алгоритм решения уравнения в программных пакетах Ansys Fluent и Mathlab. Доказано, что при нарушении режима теплосъёма, разрушении оболочки топливного элемента и обезвоживании технологического канала основным продуктом реакции, накапливающимся в графитовой кладке, является диоксид урана UO2. Не исключено образование газообразных продуктов реакции, например, CO, CH4, H2. Показано, что образование соединений металлического урана с водородом (тритием) маловероятно. Полученные результаты могут быть использованы при выборе способа обращения с облученным графитом, а именно при демонтаже графитовой кладки.

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

89-103 143
Аннотация

В данной статье исследовались образцы композитов Ni-B и Ni-In в форме плёнок, синтезированные электрохимическим методом и обладающие повышенной степенью дефектности. Продемонстрированы электро-химические процессы их получения, в которых приведены экспериментальные данные о влиянии легирующих добавок бора и индия на водородную проницаемость синтезированных электрохимических комплексов на основе никеля Nix-By-Hz и Nix-Iny-Hz. Показано, что путём создания ловушек (структурных, примесных) для водорода за счёт введения дополнительных элементов в структуру металла или изменения структуры (интерметаллиды), а также с помощью других методов можно изменить водородную растворимость металла в большую или меньшую сторону в зависимости от технических требований. Образцы Ni-B были получены в сульфаматном электролите никелирования с применением бор-соединений класса высших полиэдрических боратов Na2B10H10. Установлено, что использование нанообразующих добавок бора обеспечивает измеренное содержание водорода в образцах Nix-By-Hz порядка 600 см3/100 г. Никель-индиевые композиты были получены электролитическим осаждением на подложки из меди с составом электролита: NiSO4 · 7H2O = 140 г/л; Na2SO4 · 10H2O = 20 г/л; и In2(SO4)3, концентрация которого изменялась от 1 г/л до 12 г/л. Варьирование количества In2(SO4)3 обеспечивало получение композитов Ni–In с различным соотношением компонентов. Полученные данные позволили выбрать оптимальный режим нанесения гальванических покрытий Ni-In в электролите In2(SO4)3. Для определения влияния каждого из параметров электроосаждения на свойства образцов варьировался только один параметр: либо плотность катодного тока, либо концентрация индия в электролите. Синтезированы и исследованы образцы разных концентраций In. Определен их фазовый состав. Рентгенофазовый анализ выявил в композитах Ni-In, синтезированных из электролитов с концентрацией In2(SO4)3 более 2 г/л, фазу, соответствующую интерметаллиду η-In27Ni10. Впервые в практике изучения сорбции электрохимические композиты Nix-Iny, включая последующую термодесорбцию водорода, исследовались с помощью имплантации дейтерия в образцы. Демонстрировались спектры термодесорбции дейтерия из композитов Ni70In30Dx, позволившие выделить температурные диапазоны десорбции ионно-имплантированного дейтерия в зависимости от дозы имплантации. Подтвержд ено, что получен композит Ni70In30, способный удерживать допированный дейтерий (водород). Показ ано, что допустимо получение образцов композита Nix-Iny-Dz с содержанием дейтерия до 2 ат. D/ат. Мет, что соответствует 5,3 мас. % (для композитов данного состава).

104-117 149
Аннотация

Рассматриваются водородные топливные элементы – одно из важнейших направлений развития общемировой энергетики, – которые активно внедряются в авиационных системах, например, самолет Airbus A320 (компании Boeing и Airbus анонсировали в 2017–2018 гг. создание вспомогательной силовой установки на топливных элементах мощностью до 200 кВт). В автомобильной промышленности также активно используются такие элементы. При этом эффективное применение водородных топливных элементов невозможно без создания эффективных систем, сопутствующих эксплуатации. В связи с этим предложена новая топология высокооборотного электродвигателя (ВЭД) для компрессора водородного топливного элемента, представлены оригинальные решения по повышению энергоэффективности ВЭД на основе аморфных сплавов. Проведено исследование новой конструкции ВЭД методами компьютерного моделирования в программном комплексе Ansys Maxwell. Получены оптимальные геометрические размеры ВЭД при двухполюсной и четырёхполюсной магнитной системе. При моделировании оценивались потери на вихревые токи в постоянных магнитах и железе ротора для двухполюсной и четырехполюсной магнитных систем. Все полученные теоретические результаты верифицированы экспериментально: для этого был создан макет ВЭД с зубцовой обмоткой. Конструкция экспериментального макета также описана в статье. Особое место уделено испытаниям ВЭД и анализу данных испытаний. В результате экспериментальных испытаний было установлено, что КПД данной топологии составило 92,8 %, а плотность мощности ВЭД – 0,21 кг/кВт при воздушном охлаждении, что показывает большую эффективность по сравнению с известными мировыми аналогами. Кроме того, было доказано, что использование рассматриваемой топологии позволит минимизировать массу водородного топливного элемента при повышении его энергоэффективности. Это особенно важно для аэрокосмической промышленности и автомобилестроения.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ, ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

118-132 274
Аннотация
Предлагаются методы оценки эффективности комбинированных производств и систем энергоснабжения с точки зрения снижения эмиссии CO2, а также мер по ее повышению. Методы позволяют определить удельные показатели по выбросам CO2 поставляемых продуктов, что даёт возможность сравнивать эффективность производств и систем энергоснабжения разных компаний и стран, а также задавать целевые индикаторы на будущее. Методика применима к производствам с любым набором оборудования. Практическое применение предлагаемого критерия эффективности будет способствовать переходу к “зеленым” энергетике и экономике по наиболее оптимальной траектории их модернизации путем ранжирования планируемых мероприятий по эффективности и приоритетности реализации. Поэтому материал может быть интересен энергетикам и экологам, бизнесменам и экономистам, а также странам-участникам Парижского климатического соглашения для определения целевых удельных индикаторов выбросов парниковых газов на будущее. Предлагается инновационная технология использования энергии ветра в энергосистемах как самой перспективной из возобновляемых источников энергии. Данная технология заключается в использовании нестабилизированной электроэнергии ветроэлектростанций для прямого замещения топлива в тепловых циклах парогазовых установок, в результате чего снижаются расход топлива и выбросы CO2. Включение ВЭС в электрическую сеть через тепловые электростанции позволяет исключить проблемы обеспечения качества электроэнергии и оперативного резервирования мощности ВЭС в ЭЭС, а также использовать энергию ветра на установках комбинированной выработки тепла и высококачественной электроэнергии. Предлагаемые ветро-топливные энергетические комплексы могут заменить ядерные и топливные электростанции, поскольку выдают стабильный поток высококачественной электроэнергии, вследствие чего исключаются сбои работы энергосистем из-за стохастичности работы ветроэлектростанций. При этом производители традиционного энергетического оборудования получают шанс расширить свой бизнес вместо его сокращения вследствие вытеснения ВИЭ, в том числе при переходе к водородной энергетике.
133-147 140
Аннотация

В статье приведены схемы преобразования энергии, которые объединяет экоэнергетика. Под этим термином подразумеваются любые способы получения чистой энергии, которые не вызывают загрязнения окружающей среды. На примере Туркменистана дан научно-обоснованный анализ результатов расчета энергетических ресурсов, раскрыты причины необходимости применения возобновляемых источников энергии, основные задачи и тенденции к освоению альтернативных видов энергии, приведены карты валового, технического, экономического и экологического потенциалов. Отдельно рассматриваются разные виды возобновляемых источников энергии. Приводятся сведения о приходе солнечной радиации; при оценке потенциала солнечной энергии используются данные о техническом потенциале тепловой энергии и фотоэлектрических батарей. Указывается среднемесячная температура окружающей среды в дневное время (время работы установок). Представлены предварительные расчеты срока окупаемости ветроэнергетических установок. Срок окупаемости и экономический эффект от использования ветроэлектрической установки в общем случае определяются включением коэффициента регионального экологического фактора. Кроме того, рассматривается гидроэнергетический, биоэнергетический и геотермальный потенциал Туркменистана.

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВА

148-154 125
Аннотация
В статье в приближении квантовой ямы конечной глубины изучены эффективная масса и статистика двумерных электронов в гетероструктуре InAs/AlSb. Непараболичность зоны проводимости учтена в двухзонной модели Кейна. Предложен приближенный метод расчета дисперсии и эффективной массы электрона на уровне Ферми для двумерного электронного газа в зависимости от полной концентрации и ширины КЯ. Численные результаты получены для КЯ на основе гетероперехода InAs/AlSb. С помощью полученной дисперсии рассчитаны некоторые характеристики двумерного электронного газа. Предложена упрощенная аппроксимация дисперсии. На основе выведенной аппроксимации получены более простые формулы для эффективной массы электрона на уровне Ферми и уравнение для концентрации. Для КЯ (на базе InAs/AlSb) шириной L > 50 нм приближенные формулы являются вполне удовлетворительными, что подтверждают графики, где полученные приближения сравниваются с более точными результатами и данными эксперимента. Данная аппроксимация позволяет исследовать кинетические, оптические и магнитные свойства газа двумерных электронов.

ИНФОРМАЦИЯ

 
155-156 33
Аннотация

Международная ассоциация альтернативной энергетики и экологии (IAAEE) по представлению Наградного комитета редколлегии Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE) №201/2017 вручает международную научную награду – Золотую медаль редколлегии Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология» «FOR USEFUL LABOUR» – в номинации “For the Big Contribution to Alternative Energy and Ecology” доктору технических наук, чл.-корр. НАН Украины, зам. директора по научным вопросам Института возобновляемой энергетики НАНУ, зав. отделом солнечной энергетики, профессору кафедры возобновляемых источников энергии Виктору Федоровичу Резцову за значительный вклад в развитие экологически чистой энергетики.



ISSN 1608-8298 (Print)