Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
№ 13-15 (2018)
Скачать выпуск PDF

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА

15-29 240
Аннотация

При расчете и проектировании фотоэлектрических станций (ФЭС) необходимо выбрать оптимальный угол наклона и азимутальную ориентацию солнечных панелей, которые будут во многом определять объем электроэнергии, вырабатываемой будущей ФЭС за оперативный календарный период. Однако, для того чтобы определить эти углы экспериментально путем мониторинга выработки ФЭС с различными фиксированными положениями панелей, потребуется много лет. Поэтому целесообразно разработать модель, которая будет теоретически рассчитывать оптимальные углы наклона и азимута при фиксированном положении панелей. В данной работе в качестве критерия оптимальности этих углов принят максимум суммарного прихода радиации на единицу площади приемной поверхности за календарный период работы ФЭС. Схема расчета применялась для разных периодов: всего года, четырех сезонов года в отдельности и рабочего периода, включающего все месяцы, кроме зимних. В представленном методе исходными данными оптимизации являются географические координаты ФЭС, почасовые суммы прямой и диффузной радиации на горизонтальную плоскость, а также отражательная способность земной поверхности. Эти данные, которые получают путем усреднения многолетних измерений основных компонентов солнечной радиации, являются экспериментальными. Разработанная вычислительная схема основана на нелинейных уравнениях для оптимальных углов наклона панелей, впервые полученных для анизотропных моделей солнечной радиации. Эта схема позволяет рассчитывать оптимальные углы панелей для любого операционного периода генерации ФЭС и для любого региона, в котором имеются соответствующие экспериментальные радиационные данные. В качестве примеров были рассчитаны графики зависимостей среднесуточного прихода радиации от углов положения панелей, а также определены оптимальные фиксированные углы наклона и азимута для шести городов России, находящихся в различных климатических зонах. С помощью данного метода можно оценивать выигрыш в выработке электроэнергии ФЭС при выборе оптимальных углов наклона и азимута панелей, а также перенастраивать углы наклона на оптимальные значения для каждого сезона, если такое предусмотрено конструкцией рядов панелей.

30-54 310
Аннотация

Представлен проект по созданию автономного энергокомплекса на основе ветроэнергетической установки и водородного модуля мощностью 3 кВт с дальнейшим тиражированием до 50 кВт. Показаны возможности эксплуатации данного комплекса в самых разных климатических условиях России: Сибири, Дальнего Востока, Северного Кавказа, Краснодарского края, – а также для универсального использования в климатических зонах Арктики и Антарктики, пустынях Африки и изолированных островов с характерными разрушительными морскими соляными туманами.

Проведены изучение, комплексный анализ и сравнение известных типов и классов ветроэнергоустановок, в результате которых представлена разработанная авторами инновационная многоярусная масштабируемая вертикально-осевая ветроэнергетическая установка. Эта установка использовалась в качестве основного источника питания, бесперебойная часть которого базируется на циклически работающем водородном модуле, содержит электролизер, систему топливных элементов и накопитель водорода с системой коммуникаций и управления. Компоненты разработанной авторским коллективом силовой установки функционируют на едином напряжении постоянного тока и могут подключаться к общей шине с увеличением мощности энергокомплекса. Гибкие алгоритмы управления позволили оптимизировать работу энергокомплекса для снижения частоты пусков-остановов, тем самым увеличив и срок эксплуатации, и временные промежутки между ремонтным обслуживанием. Дистанционное управление обеспечило контроль и управление процессами выработки электроэнергии и хранения водорода с помощью Интернет-технологий в длительных режимах.

Исследования показали, что данное оборудование является долговечным, надежным и экологически безопасным, система – модульной и гибкой, так как легко масштабируется под конкретного потребителя, включая персональное энергопотребление и малый бизнес. Кроме того, разработанный энергокомплекс является доступным по стоимости приобретения, монтажа и эксплуатации для удаленных потребителей энергии, поскольку оценочная стоимость оборудования коррелирует со стоимостью установки линии электропередачи, а эксплуатация оборудования не требует значительных инженерных и технических навыков.

55-67 253
Аннотация

Представлены результаты сравнительного анализа режимов работы автономного гибридного энергетического комплекса с накопителем энергии и без накопителя. Предложена методика определения энергетических характеристик основных компонентов гибридного энергетического комплекса: потребителей электроэнергии, ветроэнергетических и фотоэлектрических установок, – построены их имитационные модели.

Установлено, что для компенсации сезонных колебаний мощности в автономных энергетических системах с возобновляемыми источниками энергии требуются накопительные устройства емкостью на десятки МВт∙ч, способные обеспечивать хранение энергии длительностью до полугода, что позволит отказаться от накопительных устройств для сглаживания сезонных колебаний энергетического баланса.

Результаты анализа суточного энергетического баланса гибридной электростанции показали, что применение накопителей энергии для сглаживания суточных колебаний мощности в локальных энергосистемах является технически реализуемой задачей, обеспечивающей значительное повышение их энергетической эффективности. Анализ режимов работы накопителей энергии продемонстрировал, что для запаса и выдачи энергии на временных интервалах продолжительностью в несколько часов не требуются накопительные устройства с относительно высокими значениями зарядной и разрядной мощности, то есть для реализации функций сглаживания суточных пиков избытка и дефицита мощности можно использовать свинцово-кислотные аккумуляторные батареи глубокого разряда.

Определено, что в зарядно/разрядных токах накопителя энергии неизбежны низкочастотные и высокочастотные пульсации большой амплитуды, обусловленные изменениями выходной мощности установок возобновляемой энергетики и нагрузки. И если низкочастотные пульсации (период десятки минут) могут частично демпфироваться за счет ограничения максимального зарядного тока аккумуляторных батарей, то устранить высокочастотные пульсации (период десятки секунд) в энергетических системах с единственным накопителем энергии принципиально невозможно.

Установлено, что наилучшим образом требованиям автономных энергетических комплексов с возобновляемыми источниками энергии соответствует комбинированный накопитель энергии, имеющий характеристики аккумулятора в режимах приема и выдачи мощности на суточных временных интервалах и обладающий свойствами суперконденсатора в режимах приема и отдачи импульсов мощности на секундных отрезках времени.

НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА

68-79 237
Аннотация

Рассмотрены вопросы сжигания водорода в кислородной среде для получения высокотемпературного пара, который можно задействовать в производстве электроэнергии на различных энергоустановках, в том числе на атомных электростанциях (АЭС). Так, использование водородно-кислородного парогенератора в составе водородного энергетического комплекса позволяет повысить мощность и эффективность АЭС в эксплуатационном режиме за счет пароводородного перегрева основного рабочего тела паротурбинной установки. Кроме того, в условиях роста доли АЭС водородный энергетический комплекс помогает адаптировать эти станции к переменным графикам электрических нагрузок и развивать экологически чистые технологии производства электроэнергии. Предложено решение проблемы эффективного и безопасного использования энергии водородного топлива на АЭС с водородным энергокомплексом.

Технические решения по  сжиганию водорода в  кислородной среде,  применяющие непосредственный впрыск охлаждающей воды или водяного пара в продукты сгорания, имеют существенный недостаток – эффект «закалки» при впрыске воды или водяного пара, который приводит к снижению эффективности рекомбинации в процессе охлаждения продуктов сгорания, что выражается в увеличении доли неконденсирующихся газов.  В этом случае подача такой смеси в паросиловой цикл небезопасна, так как может привести к опасному росту концентрации несгоревшего водорода в проточной части паротурбинной установки. В статье для решения данной проблемы предложен замкнутый водородный цикл и система водородного перегрева пара на его основе. Проведено исследование замкнутой системы сжигания водорода, которая позволяет полностью исключить попадание водорода в рабочее тело парового цикла и обеспечить полное его окисление за счет некоторого избытка циркулирующего кислорода.

Рассмотрены два типа водородно-кислородных камер сгорания для системы безопасного водородного перегрева пара в цикле АЭС посредством замкнутой системы сжигания водорода в кислородной среде. В результате математического моделирования процессов горения и тепломассообмена определены требуемые параметрические показатели водородно-кислородного парогенератора с учетом температурного режима работы. Определен мощностной ряд водородно-кислородных парогенераторов с предлагаемой конструкцией камеры сгорания.

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

80-86 117
Аннотация

Данное исследование связано с электрохимическим окислением NaBH4 на электродах из Au, Pt, Pd и Ni с помощью циклической вольтамперометрии и вольтамперометрии с прямоугольным сигналом. Установлено, что наиболее эффективным металлом для окисления борогидрида натрия является Au. Электроды из Pt и Pd также показали определенную действенность, в то время как Ni не был эффективен. Наблюдалось, что соединение дает два последовательных шага окисления с переносом 6 и 2 электронов. Проведенные эксперименты при удержании напряжения на уровне –0,8 В показали, что полученное соединение адсорбируется на поверхности электрода и постепенно снижает его каталитическую активность.

87-112 144
Аннотация

Представлена неравновесная пороэлектроэластичная теория полимерного электролита в условиях электролиза воды с целью дальнейшего теоретического описания процессов массопереноса в слоях мембранно-электродного блока. Проведен обзор и анализ моделей электрохимических и массообменных процессов в электролизерах, изучены проблемы физико-химического описания этих моделей. Сделан вывод о необходимости использования моделей сорбции воды и свеллинга полимерного электролита (здесь и далее вместо термина «набухание» применительно к мембране употребляется более близкий по смыслу термин «свеллинг», от англ. swelling). Проанализированы модели сорбции воды и свеллинга полимерного электролита. В результате сделан вывод о том, что существующая пороэлектроэластичная теория после модификации является наиболее пригодной для применения в неравновесных условиях в процессе электролиза. Рассмотрено базовое уравнение баланса давлений классической равновесной пороэлектроэластичной теории для полимерного электролита. Проведена модификация данной теории с целью дальнейшего моделирования процессов массообмена. На основе экспериментальных данных, доступных в открытых источниках, проанализированы свойства и особенности упругих сил в полимерном электролите, затем уточнены зависимости упругих сил в полимерном электролите от свеллинга и температуры. С учетом существующих экспериментальных данных по проницаемости газов в полимерном электролите и характера свеллинга полимерного электролита при контакте с жидкой водой получены параметры неравновесной пороэлектроэластичной теории применительно к условиям электролиза воды.

113-121 100
Аннотация

В данной работе проведено параметрическое исследование для оценки потенциала водородной энергетики в зависимости от количества H2S в глубинных водах Черного моря. Необходимые данные по H2S в глубинных водах Черного моря взяты из литературы. В данном исследовании учитывалась концентрация H2S и глубина водного слоя, при этом КПД преобразования предполагалось равным 100 процентам. Следовательно, общий потенциал водородной энергетики оценивался примерно в 270 млн тонн, произведенных из 4,587 млрд тонн H2S в глубинных водах Черного моря. С таким количеством водорода можно будет произвести 38,3 млн ТДж тепловой энергии, или 8,97 млн ГВтч электроэнергии. Кроме того, установлено, что суммарный водородный потенциал глубинных вод Черного моря равен почти 808 млн тонн бензина, или 766 млн тонн ПГ (природного газа), или 841 млн тонн дизельного топлива, или 851 млн тонн нефти. Эти величины показывают, что водородный потенциал сероводорода в глубинных водах Черного моря будет играть важную роль в удовлетворении энергетических потребностей стран региона. Таким образом, можно сказать, что энергетический запас водорода в Черном море является важным кандидатом для будущих водородных энергетических систем.

122-140 108
Аннотация

Традиционные методы получения алюминидов МеIV-Vявляются трудоемкими, многостадийными и занимают много времени. В Лаборатории высокотемпературного синтеза и технологии неорганических соединений ИХФ НАН РА разработан новый высокоэффективный метод получения сплавов и интерметаллидов тугоплавких металлов – метод гидридного цикла (ГЦ). В настоящем обзоре представлены результаты систематических исследований ГЦ формирования алюминидов в системах: TiH2Al, ZrH2Al, NbH1,23Al, TiH2AlZrH2, TiH2-Al-NbH1,23. Установлено влияние параметров процесса, химических особенностей гидридов, соотношений исходных компонентов и фазовых превращений на процесс формирования алюминидов. Предложен механизм формирования алюминидов металлов IVV групп в ГЦ: при нагреве компактированных смесей хМеH2+(1-х)Al→МехAl1-х2↑ происходит диссоциация водорода из гидридов, вследствие чего разрушаются связи Ме–Н; в атмосфере выделившегося водорода происходит очистка от окисной пленки; образуются активные металлы, мгновенно экзотермически взаимодействующие с алюминием по твердофазному механизму, минуя плавление алюминия. Синтезировано более 30 алюминидов: однофазные α2-Ti3Al, γ-TiAl и TiAl3; твердые растворы Al в Zr состава Zr3Al, однофазные ZrAl2; ZrAl3 и гидрид ZrAlH4,49; однофазные NbAl3; Nb2Al и Nb3Al, содержащие около 10 % Nb2Al; Ti0,35 Zr0,4Al0,25; Ti0,55Zr0,2Al0,25; Ti0,25Al0,5Nb0,25; Ti0,45Al0,28Nb0,27, Ti0,2Zr0,05Al0,75; Ti0,2Zr0,05Al0,75 и др. Некоторые алюминиды без предварительного дробления взаимодействуют с водородом в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с образованием обратимых гидридов. Построено два концентрационных треугольника систем TiAlZr и TiAlNb. По сравнению с традиционными методами синтез алюминидов металлов IV и V групп в ГЦ имеет существенные преимущества: относительно низкие температуры (~1 000 ºC) и сокращение длительности процесса (30– 60 мин); формирование алюминидов происходит в одну технологическую стадию, минуя плавление исходных компонентов; процесс экологически чистый и энергосберегающий, экономически рентабельный и т.д. Синтез триалюминидов происходит при температуре 650–670 ºС.

Алюминиды МеIV-Vгрупп являются весьма перспективными конструкционными материалами и применяются в авиакосмическом и наземном двигателестроении, оборонной промышленности, ведущих отраслях машиностроения, химической и пищевой промышленности, электронике, медицине как биосовместимые материалы и др.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

141-148 118
Аннотация

Представлены результаты исследования состава и морфологии наноструктур оксидов переходных металлов: циркония, молибдена и вольфрама, полученных методом лазерной абляции чистых металлов в воде.

Высокие температура и давление в зоне взаимодействия импульсного лазерного луча с поверхностью металла в воде способствуют интенсивному синтезу оксидов в виде кластеров частиц размером около 1−2 нанометра, что характерно для металлов с высоким потенциалом ионизации. Как следует из данных рентгеноструктурного анализа и сканирующей электронной микроскопии, кластеры являются аморфным строительным материалом для наноструктур оксидов вышеперечисленных металлов. Продемонстрирована общность картины их строения, а именно, слоистость материала, из которого сложены пенистые образования, тонкостенные полые округлые частицы, пластины, нити и другие формы наноструктур. Проведённые исследования морфологических свойств полученных в данной работе наноструктур оксидов циркония, молибдена и вольфрама указывают на то, что эти наноструктуры в качестве субстратов позволят достичь высоких значений коэффициента усиления комбинационного рассеяния ~ 104 - 108. В этом диапазоне находятся данные по коэффициенту усиления, ранее полученные авторами в экспериментах по синтезу нанооксидов циркония при использовании их в качестве субстрата. Это указывает на то, что подобные наноструктуры оксидов молибдена и вольфрама также могут служить эффективными субстратами и применяться в качестве высокочувствительных сенсоров в анализаторах состава веществ на основе гигантского комбинационного рассеяния.

ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ , ТЕХНОЛОГИИ, УCТРОЙСТВА И ИХ ВНЕДРЕНИЕ

149-156 79
Аннотация

Работа посвящена проблеме определения наличия высших гармоник в силовой сети. Отмечено негативное влияние высших гармоник напряжения и тока на элементы систем электроснабжения и линии связи. В ходе проведенных исследований было разработано электронное устройство для анализа высших гармоник силовой сети солнечных электростанций, работающих по принципу разложения функции в ряд Фурье. Основным элементом устройства является плата Arduino на микроконтроллере Atmega328p. Для корректной работы устройства было создано соответствующее программное обеспечение. Результатом моделирования работы предлагаемого устройства является набор величин гармоник исследуемого сигнала в удобном для дальнейшего анализа виде.

ИНФОРМАЦИЯ В ОБЛАСТИ АЭЭ

 
189-205 13
Аннотация

Новости науки и техники



ISSN 1608-8298 (Print)