Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
№ 16-18 (2018)
Скачать выпуск PDF

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

12-22 139
Аннотация

Представлена универсальная методика, которая даёт возможность рассчитывать: расход синтез-газа и топлива для заданной электрической мощности; температуру в аноде; коэффициент использования топлива; удельные расходы условного топлива по выработке электрической и тепловой энергии; коэффициент полезного действия электрохимического генератора для различных видов природного топлива (метан, уголь, нефтепродукты и др.) и переработанных (метанол, этанол и др.) в синтез-газ с последующим использованием его в ТОТЭ. Исследовано влияние вида топлива: водорода, метана, моторного дизельного топлива, этанола, автомобильного бензина и метанола – на коэффициент использования топлива, удельные расходы на производство электрической и тепловой энергии, коэффициенты полезного действия каталитической горелки, батареи ТОТЭ и электрохимического генератора. 

Общий уровень коэффициента использования топлива для энергетической установки когенерационного типа на основе ТОТЭ с водородным топливом и метаном превосходит уровень современных парогазовых теплоэлектроцентралей, а при использовании дизеля, этанола, бензина и метанола – когенерационных теплоэлектроцентралей на базе двигателей внутреннего сгорания. По максимальному коэффициенту использования топлива и минимальному расходу топлива на производство электрической и тепловой энергии на первом месте находится водород, затем по порядку убывания энергетических показателей следуют метан, дизельное топливо, этанол, бензин и метанол. Показано, что по уровню энергетических показателей самым лучшим топливом является водород, а худшим – метанол. Для водорода коэффициент использования топлива и удельные расходы топлива на производство электрической и тепловой энергии, отпускаемой в тепловые сети, составляют 1; 0,122 кг у.т./кВт·ч и 34 кг у.т./ГДж соответственно, а для метанола – 0,359; 0,475 кг у.т./кВт·ч и 83,7 кг у.т./ГДж. Для других видов топлива упомянутые энергетические показатели лежат между указанными значениями.
23-38 144
Аннотация

Рассмотрена возможность использования солнечных батарей для подогрева воды в системах горячего водоснабжения. Показано, что фотоэлектрические водонагреватели обладают рядом преимуществ перед традиционными солнечными водонагревателями. Построена классификация выпускаемых в мире контроллеров для фотоэлектрических водонагревателей. Отмечено, что только несколько производителей выпускают специализированные контроллеры солнечных батарей для таких систем. Как правило, водонагреватель рассматривается как элемент «умного» дома, и контроллер представляет собой дополнительное устройство в системе энергоснабжения дома, обеспечивающее утилизацию излишков вырабатываемой электроэнергии.

Разработаны математические модели традиционного и фотоэлектрического водонагревателей. В результате имитационного моделирования показано, что соотношение площадей фотобатарей и солнечных коллекторов в водонагревателях сравнимой производительности составляет для южных регионов России 1,6–2,3, а для северных – 1,2–1,6. Оценка стоимости аналогичных по производительности солнечных водонагревателей показала, что фотоэлектрические водонагреватели в климатических условиях Российской Федерации могут составить конкуренцию традиционным солнечным установкам, особенно в северных регионах страны.

Современные  фотоэлектрические  водонагреватели  оборудованы  поддерживающими  работу  солнечных батарей в точке максимальной мощности контроллерами. Стоимость выпускаемых специализированных контроллеров неоправданно велика, что делает целесообразной разработку недорогого контроллера для фотоэлектрического водонагревателя. Показано, что возможным вариантом снижения стоимости фотоэлектрического водонагревателя является отказ от контроллера и работа фотобатарей на электронагреватель постоянного сопротивления, при этом снижение производительности фотобатарей ввиду работы на удалении от точки максимальной мощности компенсируется установкой дополнительных модулей, и годовая выработка тепла превышает таковую для традиционного солнечного водонагревателя сравнимой стоимости.
39-54 161
Аннотация

Согласно ранее проведенным оценкам, побережья России обладают высоким потенциалом волновой и ветровой энергии. При этом использование нескольких видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет преодолеть присущий им недостаток – неоднородность во времени потока энергии. В настоящее время за рубежом и в России при оценке потенциала ветровых и волновых ресурсов широко используются результаты спутниковых наблюдений, математическое моделирование и данные реанализов. На этой основе разрабатываются карты, атласы, базы данных и иные информационные ресурсы (как в печатной, так и в электронной форме) для проектирования, математического моделирования производительности энергетических станций и установок на ВИЭ, в том числе гибридных.

В статье приведены результаты первого этапа разработки веб-атласа волновой и ветровой энергии для прибрежной зоны морей РФ. Задачи данного этапа связаны с проработкой информационного и картографического обеспечения атласа. Представлены методы расчета волновых и ветровых характеристик (спектральная волновая модель SWAN) и источники данных – реанализы скорости ветра NCEP/CFSR и NCEP/CFSv2 за периоды 1979–2010 гг. и 2011–2016 гг. В качестве характеристик энергетического потенциала рассчитаны и проанализированы среднемноголетние значения высоты значительных волн, длины и периода волн, потока волновой энергии, обеспеченности, а также средняя удельная мощность ветрового потока.

Детально рассмотрены инструменты разработки прототипа веб-атласа. Веб-атлас базируется на классической трехзвенной модели, включающей подсистему хранения данных (сервер баз данных), подсистему анализа и публикации данных (непосредственно ГИС-сервер) и подсистему веб-приложений, обеспечивающую пользовательский интерфейс для взаимодействия с данными и картографическими сервисами (веб-сервер). Реализация веб-атласа осуществлена на примере акваторий Черного моря. Предполагается дальнейшее развитие атласа с охватом прибрежных акваторий всех морей России.

НЕВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

55-62 104
Аннотация
Теоретически изучена возможность преобразования энергии быстрых и эпитепловых нейтронов в энергию моноэнергетического фотонного излучения за счет нейтронной накачки активной среды, образованной ядрами с долгоживущими изомерными состояниями. Впервые принят во внимание канал образования ядра в изомерном состоянии как дочернего ядра, являющегося продуктом реакции радиационного захвата нейтрона более легким ядром. Проведены оценки параметров спектра потока нейтронов, обеспечивающих перевод из основного в одно из возбужденных состояний для ядер изотопов 54Xe130 , 10Ne22. Показано, что для перевода ядер изотопа в возбужденное состояние путем прямого рассеяния нейтронов на ядрах необходимо «выбирать» изотопы не только с большой удельной энергией связи нуклонов в ядре, но и с малым значением сечения поглощения нейтронов. Проведен анализ зависимости сечений радиационного захвата нейтронов ядрами изотопов гадолиния Gd155 и Gd156, в результате которого установлено, что скорость образования ядер Gd156 превосходит скорость их «выгорания» в потоке нейтронов. Это обеспечивается уникальным сочетанием поглощающих свойств двух изотопов гадолиния Gd155 и Gd156 как в тепловой, так и резонансной областях энергии нейтронов. Сформулированы условия, необходимые для перевода ядер изотопа в возбужденное состояние путем прямого рассеяния нейтронов на ядрах и для накопления ядер в возбужденных состояниях. В результате аналитического решения системы дифференциальных уравнений нуклидной кинетики с учетом распада изомерных состояний ядер получено соотношение, позволяющее проводить оценки параметров процессов захвата нейтронов ядрами, образования и распада изомерных состояний ядер. Проведен анализ возможности нейтронной накачки активной среды, образованной ядрами изотопа гафния. Установлено, что свойства ядер изотопов гафния не позволяют обеспечить условия инверсии заселенности энергетических уровней за счет образования в потоке нейтронов ядер гафния в изомерном состоянии Hf178m2. Показана возможность накопления избыточной энергии в активной среде, образованной ядрами пары изотопов гадолиния Gd155 и Gd156, за счет образования и накопления ядер в изомерном состоянии при радиационных захватах нейтронов ядрами стабильного изотопа с меньшей массой. Сформулирован вывод о том, что при накачке активной среды, образованной ядрами гадолиния, нейтронами с плотностью потока порядка 1013 см-2·с-1 условие  инверсии заселенности уровней может быть достигнуто за несколько десятков секунд. Длина волны генерируемого средой излучения составляет 0,0006 нм. В качестве претендента на роль активной среды  может быть рассмотрена спеченная керамика на основе обогащенного по 155-му изотопу оксида гадолиния Gd2O3. Таким образом, существует возможность создания лазерной техники нового поколения с параметрами, обеспечивающими ее применение в импульсной энергетике будущего.

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

63-69 105
Аннотация

Показано, что инициируемая в жидкофазных средах в разрядном промежутке между электродами низкотемпературная плазма способна эффективно разлагать водородсодержащие молекулы органических соединений с образованием газообразных продуктов, в которых доля водорода составляет более 90 % об. В качестве исходных веществ применялись прямые водно-углеводородные эмульсии, полученные под действием ультразвуковой кавитации и при воздействии электрическим полем. Установлено, что производительность по водороду при использовании эмульсий не уступает индивидуальным исходным веществам. Измерение количества газовой смеси, образующейся при разложении органических жидкостей, показало, что производительность сильно зависит от тока разряда, а также от объема разряда, который может меняться в зависимости от расстояния между электродами в реакционной камере. В экспериментах ток разряда составлял от 4 А до 8 А, напряжение разряда в зависимости от типа жидкости – 30–45 В.

Установлено, что с помощью акустоплазменного метода допускается использование исходного сырья самого низкого качества, то есть без необходимости проводить дорогостоящую очистку для удаления примесей. Существенным преимуществом является отсутствие токсичных и трудноутилизируемых побочных продуктов данного синтеза, кроме того, газовая смесь выходит из реактора под небольшим давлением (0,2–0,3 атм), что облегчает ее первичную транспортировку. Водородсодержащий газ может быть использован как горючее непосредственно после синтеза, то есть не требует сепарации, поскольку помимо водорода содержит только примеси СО2 и пары воды. Побочным продуктом при получении водорода методом акустоплазменного разряда при разложении органических жидкостей является углерод, образующийся в виде агломератов наночастиц различного строения и осаждающийся в ходе реакции на дне реакционной камеры. Как показали результаты анализов и стехиометрических расчетов, на образование этих побочных продуктов расходуется большая часть углерода и кислорода, содержащихся в молекулах исходной жидкости, тем самым образующаяся газообразная смесь значительно обогащена водородом. Полученные наночастицы и их агломераты могут быть также использованы в качестве наполнителей, красителей, компонентов композиционных материалов и пр.
70-87 98
Аннотация
Методом изотопного обмена кислорода с уравновешиванием изотопного состава газовой фазы получены температурные зависимости коэффициентов обмена и диффузии кислорода газовой фазы с протонпроводящими оксидами La1–xSrxScO3–δ (x = 0; 0,04; 0,09) в температурном интервале 600−900 ºC при давлении кислорода 1,01 кПа. Установлено, что с повышением содержания стронция в оксиде коэффициенты диффузии и обмена кислорода также повышаются. Определены скорости отдельных стадий обмена кислорода на поверхности исследуемых оксидов. Показано, что скоростьопределяющей стадией обмена кислорода на поверхности недопированного оксида LaScO3 является стадия инкорпорирования. В свою очередь, для La1–xSrxScO3–δ (x = 0; 0,04; 0,09) с ростом концентрации стронция разница между скоростями диссоциативной адсорбции и инкорпорирования кислорода уменьшается так, что для оксида La0,91Sr0,09ScO3–δ скоростьопределяющей стадией обмена становится стадия диссоциативной адсорбции кислорода. В работе анализируются возможные причины указанных отличий в кинетике обмена кислорода. С помощью полученных значений коэффициентов диффузии кислорода, пересчитанных в кислород-ионную проводимость с использованием уравнения Нернста-Эйнштейна, выполнено выделение вкладов кислород-ионной и протонной составляющей общей проводимости оксидов La1–xSrxScO3–δ (x = 0; 0,04; 0,09) во влажной восстановительной атмосфере (рН2О = 2,35 кПа, рО2 = 10–15 Па). Показано, что числа переноса протонов в температурном интервале 500–600 ºС близки к единице во влажной водородсодержащей восстановительной атмосфере.

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВА

88-97 82
Аннотация

Появление в последние годы высокомощных волоконных лазеров, более эффективных и простых в эксплуатации по сравнению с другими типами лазеров, сделало актуальным проведение систематических исследований и разработку технологии резки стекла методом управляемого термораскалывания. В статье рассмотрен вопрос о возможности высокоскоростной резки стекла современными лазерами мощностью до нескольких десятков киловатт в ближнем инфракрасном диапазоне излучения. Определялось поле упругих напряжений, возникающее в стеклянной пластине при её нагреве лазерным излучением. Метод исследования базировался на теории термоупругости.

Представлена математическая модель расчета температуры и упругих напряжений, индуцированных облучением стекла движущимся лазерным лучом. Приведены результаты численного моделирования температурных полей и профилей упругих напряжений при различных скоростях движения пятна облучения. Показано, что при высокой мощности излучения максимально достижимая скорость резки стекла прямо пропорциональна мощности. Имеющиеся в литературе данные по скорости резки борского стекла при низких мощностях излучения (менее 400 Вт) экстраполированы на высокие мощности (до нескольких десятков киловатт). Показано, что скорость резки может достигать 70 см/с при мощности лазерного излучения 20 кВт. Для резки крупногабаритных листов стекла в массовом производстве рекомендуются волоконные иттербиевые лазеры, имеющие длину волны излучения 1,065 мкм, которые удовлетворяют требованиям по уровню мощности, стабильности излучения и ресурсу работы. Кроме того, эти лазеры имеют возможность транспортировки излучения по оптоволоконному кабелю и автоматического управления пространственным положением пятна облучения. Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых технологий по резке стекла на промышленных линиях по производству флоат-стекла, в технологическом процессе раскроя листов стекла и резки 3D-стеклоизделий. Метод лазерного управляемого термораскалывания, в сравнении с другими лазерными методами резки стекла, является более эффективным и стабильным, а также имеет существенно более широкую область применения, так как позволяет в несколько раз увеличить толщину разделяемого стекла.
98-112 117
Аннотация

Представлены результаты численного моделирования возбуждения лазера на парах меди импульснопериодическим индукционным (безэлектродным) разрядом. Исследован вариант лазера с кольцевым рабочим объёмом разрядной камеры, образуемым двумя коаксиальными цилиндрами. Показано, что такая  коаксиальная камера в большей степени удовлетворяет особенностям индукционного способа накачки, чем обычная цилиндрическая камера. В этом случае достигаются более высокие коэффициенты связи в трансформаторной схеме индукционного лазера и достаточно большие значения вихревого электрического поля. Кроме того, коаксиальная камера с экологической точки зрения представляется наиболее безопасной для окружающего персонала, в смысле излучения электромагнитных волн.

В данной работе кратко представлена физическая модель лазера, описывающая динамику параметров плазмы, кинетику инверсной заселённости рабочих уровней лазера на самоограниченных переходах, развитие индуцированного излучения. Представлены также электротехнические уравнения для описания работы простейшего источника электрических импульсов накачки. Проведён расчёт тепловых параметров рабочего тела и конструкции камеры. С помощью численных экспериментов обнаружено, что в рассмотренных вариантах такого лазера реализуется импульс накачки, представляющий собой цуг высокочастотных затухающих колебаний, в отличие от обычного лазера на парах меди с апериодическим разрядом. Проведён анализ физических процессов, протекающих в плазме ВЧ-разряда. Показано, что пульсирующий характер джоулева тепловыделения приводит к заметным пульсациям электронной температуры, однако это не препятствует работе лазера на самоограниченных переходах. В оптимальных режимах возбуждения наблюдаются только небольшие колебания инверсной заселённости рабочих уровней атома меди и интенсивности в импульсе излучения. Достигнутые в расчётах высокие выходные характеристики лазера свидетельствуют о возможности эффективной накачки лазера на парах меди новым для него индукционным методом.

ИНФОРМАЦИЯ В ОБЛАСТИ АЭЭ, ИНФОРМАЦИЯ

113 26
Аннотация
Международная ассоциация альтернативной энергетики и экологии (IAAEE) по представлению Наградного комитета редколлегии Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE) №208/2018 вручает высшую награду ISJAEE – Орден Антуана де СентЭкзюпери «За повышение качества жизни на планете людей» – доктору физико-математических наук, профессору Мишику Айразатовичу Казаряну.

НОВОСТИ НАУКИ И ТЕХНИКИ



ISSN 1608-8298 (Print)