Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
№ 19-21 (2017)
Скачать выпуск PDF

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА

16-25 241
Аннотация

Теоретически достижимая эффективность фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для однопереходных солнечных элементов (СЭ) составляет 30 %. Однако стоимость выработанной с помощью СЭ электроэнергии уже сейчас сравнялась с электроэнергией, полученной при сжигании природного газа. При этом максимально подтвержденное значение КПД для СЭ составляет 26,3 %. Таким образом, все еще наблюдается определённое отставание от теоретически возможного значения. Анализ потерь современных ФЭП показывает, что не менее 10 % связано с отражательной способностью поверхности СЭ, поэтому наряду с интенсивными исследованиями по гетеропереходным и тонкопленочным конструктивным решениям рассматриваются и другие способы, позволяющие более чем вдвое повысить КПД преобразования. В настоящей работе существенное внимание уделено формированию антирефлекторных покрытий. Одним из перспективных антиотражающих материалов является пористый кремний, получивший в литературе название «черный кремний» (black silicon b-Si). Развитие технологий химического и анодного травлений кремния, а также низкая стоимость и простота процесса формирования позволяют создавать пористые b-Si структуры с контролируемыми параметрами антиотражающих слоёв. В работе представлен сравнительных анализ результатов исследования коэффициентов отражения различных пористых пленок, полученных анодным травлением поверхности кремниевых пластин с ориентацией (100) и (111). Экспериментально установлено значительное уменьшение коэффициента отражения в диапазоне видимого света от 400 нм до 1 200 нм для всех образцов с пористыми слоями по сравнению с образцами без пористых слоев. Впервые определены антибликовые характеристики для вариативных градиентно-пористых (GPSi-var) структур с нанопористым внешним слоем. Значение коэффициента отражения GPSi-var структур падает до уровня 0,1 % в диапазоне исследуемых частот светового излучения. При этом установлено, что для всех пористых слоев на кремнии характерна тенденция уменьшения степени отражения по мере уменьшения длины волны света до значения меньше 10 % (по сравнению с коэффициентом отражения поверхности пластин кремния на уровне 30 %).

26-35 108
Аннотация

Рассмотрены солнечные энергоустановки, получившие наибольшее распространение в г. Москве. Выделены следующие энергоустановки на фотоэлектрических преобразователях: станции городского велопроката, паркоматы, светофоры на пешеходных переходах, уличные фонари, Wi-Fi-станции; солнечные энергетические системы для дворовых фонарей и освещения в подъездах, установленные на крышах жилых домов. Данное исследование было проведено для группы велопарковок и паркоматов. Представлена методика исследования влияния затенения на эффективность эксплуатации энергоустановок, включающая: 1. Панорамную цифровую фотосъемку от точки предполагаемого размещения приемной поверхности фотоэлектрического преобразователя; 2. Анализ каждой фотографии путем наложения на нее линии горизонта и диаграмм, отражающих траекторию движения солнца в течение года (аналеммы); 3. Обработку полученного комплексного изображения и составление матрицы освещенности; 4. Расчет доли прямой солнечной радиации, которая достигает приемной поверхности в течение года, и доли времени в течение года, когда точка (поверхность) не затенена; эти значения позволяют оценить возможности эффективного использования солнечной установки в отдельные месяцы или в течение года в целом и провести предварительный выбор оптимальной площадки. С помощью представленной методики рассчитаны доля времени в течение года, когда точка (поверхность) не затенена, и диапазоны изменения доли приходящей на фотоэлектрическую панель прямой солнечной радиации с учетом затенения приемной поверхности. Установлено, что из-за затенения в случае велопарковок за год в среднем теряется порядка 10–20 % солнечной энергии, в случае паркоматов – свыше 70 % в год, а в отдельные месяцы – 90 %. Исследование показало, что часть солнечных энергоустановок, эксплуатируемых в Москве, установлены крайне неудачно, то есть была выявлена необходимость проведения предварительной оценки затенения в условиях плотной городской застройки.

 

36-48 134
Аннотация

Оценивалась сезонная и межгодовая изменчивость потока волновой энергии для акватории Баренцева моря, где автономное энергоснабжение объектов на побережье, в шельфовой зоне, в открытом океане может быть наиболее востребовано. Численные расчеты параметров ветрового волнения проведены на основе спектральной модели ветрового волнения WaveWatch- III, разработанной в Национальном управлении океанических и атмосферных исследований (NOAA), и данных о ветре на высоте 10 м из реанализа NCEP/CFSR, который охватывает период 1979–2010 гг. В модели учтено влияние льда, а также диссипация энергии волн при подходе к берегу, что имеет существенное значение в связи с выбором объекта исследований (открытые и прибрежные районы Баренцева моря). Расчеты проводились на оригинальной неструктурной сетке, пространственное разрешение которой изменялось от 15 км в открытых акваториях до 500 м в прибрежной зоне. Первичными результатами моделирования явились высоты значительных волн и перенос волновой энергии для каждого узла расчетной сетки (шаг по времени составлял 3 часа, период охвата – 30 лет). Результаты представлены в виде диаграмм межгодовой и внутригодовой изменчивости потока волновой энергии, а также карт распределения обеспеченности. Установлено, что поток волновой энергии меняется в открытой части моря от 2–5 кВт/м волнового фронта в летние месяцы до 60–100 кВт/м зимой; в акваториях Баренцева моря у побережья Кольского полуострова максимальные значения потока в зимние месяцы составляют 20 кВт/м; средне- многолетняя обеспеченность волновой энергией более 1 кВт/м в открытой части Баренцева моря в течение всего года превышает 80–90 %; в прибрежной части моря высока ее внутригодовая изменчивость, в летний период обеспеченность здесь сокращается до 60 %.

 

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

49-73 137
Аннотация

В статье приведена краткая история создания ПАО «Криогенмаш», появление и развитие которого неразрывно связано с зарождением криогенной отрасли машиностроения в СССР, а также развитием космонавтики и ракетостроения. Описаны задачи, которые решались ведущими специалистами по созданию инфраструктуры обеспечения криогенными компонентами топлива, стендовых систем для испытания двигателей и блоков ракет, термовакуумных камер, систем термостатирования отсеков и высококипящих компонентов топлива. Отмечено, что отечественное базовое криогенное оборудование по многим показателям превосходило аналогичное оборудование зарубежных фирм и на всех этапах строительства стартовых и стендовых комплексов решало вопрос эффективной и взрывобезопасной технологии эксплуатации. Подробно рассмотрена организация эффективных и безопасных процессов охлаждения в потоке жидких водорода и кислорода при заправке баков ракет, которые использовались в системах РН «Энергия». Показаны преимущества этой технологии по сравнению с охлаждением в резервуарах хранилищ путем вакуумирования парового пространства. В системе глубокого охлаждения жидкого кислорода при заправке баков космического корабля «Буран» использовался холод паров водорода, отходящих из системы вакуумирования. В статье рассматривалась разработка систем термостатирования для обеспечения в отсеках ракеты температурно-влажностных параметров, при которых гарантируется стабильная и безотказная работа приборов и механизмов, а также термостатирование высококипящих компонентов топлива. Сделан акцент на создании систем на базе воздушных турбодетандерных агрегатов вместо парокомпрессионных машин. Немаловажное значение в статье придаётся созданию ряда имитаторов космоса, в том числе, одного из самых больших в мире (объемом 10 000 м3 ). Рассмотрены задачи, которые были решены для успешной работы оборудования: проблемы прочности и устойчивости корпусов камеры, обеспечение герметичности, подбор мощных средств безопасного вакуумирования и другие важные аспекты создания имитаторов космоса. Отмечено, что опыт создания криогенного оборудования для стартовых комплексов в полной мере используется при строительстве новых космодромов и, прежде всего, космодрома «Восточный».

 

74-87 119
Аннотация

В статье анализировались функционирование и запуск криогенных двигательных установок разгонных блоков и ступеней ракетно-космических систем, которые во многом определяются тепломассообменными процессами в элементах систем питания. Это вызвано тем, что в наземных условиях отсутствуют возможности имитации условий полета при проведении операций захолаживания магистралей и запуска двигателя. Поэтому моделирование процессов течения криогенных компонентов с учетом тепломассообменных процессов в системах питания блоков и испытательного стенда является актуальной. Приведены данные о том, что бустерные насосные агрегаты окислителя и горючего, как правило, располагают в соответствующих топливных баках. Это позволяет существенно уменьшить затраты компонента на проведение операций захолаживания и заправки топливных магистралей и бака, а также оптимизировать процесс запуска двигателя при многократных включениях. Отмечено, что при комплексных наземных испытаниях разгонных блоков часто отсутствуют возможности имитации условий полета при проведении операций запуска ДУ, поэтому использование физических и математических моделей расчета нестационарных многофазных процессов с интенсивными фазовыми превращениями позволяют определить характеристики и провести прогноз параметров систем питания. В работе выполнены задачи: по разработке открытого кода на основе CFD программы OpenFoam для рассмотрения криогенных течений совместно с процессами теплообмена со стенкой бака; по проверке открытого кода на простейшей двумерной модели бака для определения основных механизмов, возникающих в процессе захолаживания и заправки стендового бака; по реализации использования открытого кода для выполнения начального этапа моделирования процессов заправки стендового топливного бака с учетом испарения крио- генной жидкости и теплообмена со стенками. Показано, что процессы течения и испарения могут быть смоделированы в рамках модели течения со свободной поверхностью. Приведены результаты расчетов основных параметров двухфазных потоков в процессе заправки топливного бака жидким водородом. Результаты исследования предполагается применять в методике оценки параметров двухфазных потоков при испытаниях перспективных блоков ракетно-космических систем.

 

88-94 115
Аннотация

Принимался во внимание тот факт, что на сегодняшний день в качестве материала электролита твердооксидных топливных элементов активно исследуются соединения с перовскитоподобной структурой, характеризующиеся проявлением кислородно-ионной проводимости в сухой атмосфере и протонной проводимости во влажной атмосфере. Возможность возникновения протонных дефектов в этих соединениях обусловлена наличием вакансий кислорода. Наличие вакантных позиций в кислородной подрешетке способствует обратимому диссоциативному поглощению воды из газовой фазы и появлению протонного вклада проводимости. Примером фазы, которая характеризуется структурой перовскита и обладает кислородным дефицитом в анионной подрешетке, является ниобат бария-кальция Ba2CaNbO5,5, описанный в литературе как кислородно- ионный и протонный проводник. Изовалентное и гетеровалентное допирование катионных подрешеток является одним из методов модификации структуры данного типа и оптимизации физико-химических свойств сложнооксидных материалов. Развитие метода анионного допирования может стать альтернативой для получения новых материалов с улучшенными свойствами. Ранее было установлено, что анионное замещение F →O 2− приводит к увеличению кислородной и протонной проводимости в области малой концентрации допанта (полианионный эффект). Данная работа является продолжением исследований по изучению влияния эффекта анионного гетеровалентного допирования на кислородно-ионный и протонный транспорт. Впервые синтезированы и рентгенографически аттестованы сложные оксиды Ba2-0,5xCaNbO5,5-xFx , полученные методом анионного допирования кислородной подрешетки ниобата бария-кальция Ba2CaNbO5,5 фторид-ионами. Синтез осуществлялся твердофазным методом, максимальная температура отжига составила 1 300 оС. Все исследованные образцы (0 < х ≤ 0,4) были однофазными и характеризовались кубической структурой двойного перовскита. Установлено, что введение ионов с меньшим радиусом (F - ) приводит к уменьшению параметра решетки фторзамещенных составов относительно недопированного ниобата бария-кальция Ba2CaNbO5,5.

 

95-105 183
Аннотация

Предложена компоновка когенерационной энергоустановки (мини-ТЭЦ) с реактором конверсии метана и батареей твёрдооксидных топливных элементов (ТОТЭ) планарной конструкции. Такая мини-ТЭЦ вырабатывает электроэнергию, производит перегретый водяной пар, подогревает воздух и метан, используемые в конверторе, а также катодный воздух, используемый в батареях ТОТЭ в качестве окислителя. Кроме того, создана математическая модель работы этой энергоустановки. Экспериментально исследована работа термохимического реактора с заторможенным псевдоожиженным слоем – реактора, который является основой для производства синтез-газа (топливо для батарей ТОТЭ). Для обеспечения эндотермической реакции паровой конверсии метана в реакторе при соотношении 3:1 и подогрева продуктов этой же реакции, часть продуктов конверсии окислялась воздухом, подававшимся в верхнюю зону заторможенного псевдоожиженного слоя. Исследования показали, что с помощью этого реактора можно получать синтез-газ, содержащий 55 % водорода. С помощью математического моделирования уточнены основные размеры реактора, а также расход метана, воды и воздуха на конверсию метана. Представлены тепловые балансы конвертора, батареи ТОТЭ и котла-утилизатора, предназначенного для производства перегретого водяного пара, подогрева воздуха и метана, используемых в конверторе, а также катодного воздуха, на основе которых рассчитаны: доли полезного продукта в конверторе метана, водорода, окисленного в аноде ТОТЭ, электрический КПД (брутто), температура в аноде, экзотермический эффект ре- акции окисления водорода из синтез-газа кислородом из воздуха, приращение энтропии при стандартных параметрах и изменение энергии Гиббса, ЭДС топливного элемента, удельные расходы условного топлива на производство электрической и тепловой энергии. Расчёты показали, что температура продуктов окисления водорода в аноде ТОТЭ составила 850 ºС; электрический КПД (брутто) – 61,0 %; ЭДС одного топливного элемента – 0,985 В; доля водорода, окисленного в аноде ТОТЭ, – 64,6 %; удельный расход условного топлива на выработку электрической энергии – 0,16 кг у.т./(кВт·ч); тепловой энергии – 44,7 кг у.т/ГДж. Удельные параметры согласуются с данными других исследований.

 

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

106-115 145
Аннотация

Рассматривался вопрос о влиянии размерного фактора на коэффициент термического расширения (КТР) диборида гафния. Методом высокотемпературной рентгенографии проведены измерения параметров кристаллической решетки нано- и микрокристаллического диборида гафния в температурном интервале 300– 1 500 K. Размер областей когерентного рассеяния нанокристаллического HfB2 составил 15 нм и оставался постоянным при нагреве. Анализ температурной зависимости параметров нано- и микрокристаллического HfB2 показал, что метрика ячейки увеличивалась с ростом температуры нелинейно. Впервые определены КТР расширения нано- и микрокристаллического HfB2 в направлении кристаллографических осей a и c. Получены аналитические выражения температурной зависимости параметров ячейки нано- и микрокристаллического HfB2 в виде полиномов 2 степени. При линейной аппроксимации температурной зависимости параметров решетки, то есть при отсутствии температурной зависимости КТР в исследуемом диапазоне температур, КТР микрокристаллического HfB2 составил: αa = 7,37 · 10–6 и αс = 7,48 · 10–6 K –1 для осей 0a и 0c соответственно. КТР микрокристаллического HfB2, рассчитанный по рентгеноструктурным данным, соответствует определенному дилатометрическим методом КТР – α = 7,49 · 10-6 K -1 . При линейной аппроксимации температурной зависимости параметров решетки КТР нанокристаллического HfB2 составил: αa = 7,40 ·10–6 и αс = 9,88 · 10–6 K –1 для осей 0a и 0c соответственно. Результаты работы показали, что HfB2 в нанокристаллическом состоянии обладает большим КТР по сравнению с микрокристаллическим аналогом. Выявленные различия КТР нано- и микрокристаллического HfB2 связаны с повышением поверхностной энергии материала при увеличении дисперсности. Обнаружена анизотропия термического расширения как микро-, так и нанокристаллического HfB2 – KTР по оси 0c выше, чем в направлении оси 0a. Анизотропия КТР объясняется исходя из анализа длины и характера связей в кристаллической структуре HfB2. Существенная анизотропия КТР для наноразмерного HfB2 указывает на преимущественный рост ангармонизма атомных колебаний в нанокристаллах в направлении оси 0c. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых экологически чистых материалов для нужд альтернативной энергетики.

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ

116-125 139
Аннотация

Разработаны композиционные материалы на основе вторичного полиэтилена и отходов сельского хозяйства (соломы различных типов) в качестве наполнителя. Впервые показана перспективность модифицирования поверхности наполнителя растительного происхождения (мелкодисперсная пшеничная и рисовая солома) смолообразными отходами производства 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) из углеводов, который является соединением-платформой, основой для получения ценных химических продуктов, в том числе мономеров для производства полимеров из возобновляемого сырья. В настоящее время 5-ГМФ достаточно успешно вырабатывается из различного растительного сырья (сахарная свекла, топинамбур, ламинария и др.). Однако при производстве 5-ГМФ кислотно-катализируемой дегидратацией полисахаридов в качестве побочного продукта образуется до 10 мас.% смолообразных гуминоподобных веществ (далее – смола), способы утилизации которых представляют большой практический интерес. Наличие в составе смолы олигомерных цепочек с большим числом полярных групп обеспечивает ее равномерное распределение по поверхности гидрофильных частиц наполнителя с образованием полимерной пленки, что существенно снижает водопоглощение композита и увеличивает его стойкость в условиях повышенной влажности. Исследования показали, что с увеличением содержания модификатора от 0 мас.% до 4 мас.% водопоглощение композитов, содержащих 15 масс.% рисовой или пшеничной соломы, снижается в 3–5 раз. С другой стороны, гидрофобные фрагменты олигомерных цепей смолы взаимодействуют с полиэтиленовой матрицей, в результате возрастает адгезия между частицами соломы и вторичным полиэтиленом низкого давления (ВПЭНД), что проявляется в увеличении прочностных свойств полученных композиционных материалов. Установлено оптимальное соотношение компонентов в композите на основе ВПЭНД: 15 мас.% пшеничной соломы, соотношение солома/смола, равное 8–15 мас.%. Следует отметить, что улучшения свойств композиционных материалов удалось добиться за счет введения относительно небольших количеств модификатора (0,5–2 мас.%). Полученные композиты могут найти применение в строительстве и для изготовления различных изделий бытового назначения: водостойкой дачной мебели, скамеек для парков и др.

 

ИНФОРМАЦИЯ

 
128-131 99
Аннотация

Рассматривается инновационное устройство для преобразования волновой энергии воды в электроэнергию. Выделяются два основных класса преобразователей – активные и пассивные. К первому относятся все устройства, имеющие перемещающиеся под действием колебаний водных масс элементы; ко второму – устройства, направляющие движение вод с целью концентрации энергии волн. Рассматриваются устройства преобразования волновой энергии, относящиеся к первому классу, а именно, устройства, использующие периодический подъём волновой поверхности и изменение наклона этой поверхности. Приводятся существующие технические решения, на основе анализа выявленных у них недостатков предлагается собственное решение поставленной задачи. Впервые предлагается способ генерации электроэнергии за счёт использования гироскопических сил, возникающих при работе нового устройства, которое преобразует эти силы, возникающие между двумя роторами (гироскопами), расположенными соосно и вращающимися в противоположные стороны. Возникновение гироскопических сил обусловлено тем, что предлагаемое устройство закреплено на платформе – поплавке, который периодически изменяет угловое положение в пространстве, находясь на волновой поверхности воды. При этом преобразование гироскопических (механических) сил, возникающих между вращающимися в противоположные стороны гироскопами, осуществляется механоэлектрическими преобразователями, закреплёнными между опорной платформой и корпусами этих гироскопов.

 

НОВОСТИ НАУКИ И ТЕХНИКИ



ISSN 1608-8298 (Print)