В статье дана характеристика истории организации и проведения Научных молодежных Школ по возобновляемой энергетике, проводимых на географическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова с 1999г.

Выполнен анализ с составлением инфографики основных направлений тематики докладов и географии участников научных молодежных школ «Возобновляемые источники энергии» за 20-летний период. Наиболее широко были представлены доклады по солнечной и ветровой энергетике, а также по экономическим и экологическим проблемам использования ВИЭ. В последние годы возникли и новые тематические направления: аккумулирующие системы, вопросы управления энергетическими объектами и сетями на ВИЭ, применение ГИС технологий. Показан рост количества докладов по исследованиям, поддержанным РФФИ. Представлен научный обзор статей участников Всероссийской научной конференции и XII молодежной школы по ВИЭ, проходившей 24-25 ноября 2020 г., опубликованных в данном выпуске журнала.

В статье рассмотрены оригинальные конструкции солнечных теплофотоэлектрических модулей планарной и концентраторной конструкции, предназначенные для стационарной и мобильной энергогенерации. Рассмотрено моделирование разработанных модулей в системе конечно-элементного анализа, а также представлены результаты исследований планарной теплофотоэлектрической кровельной панели и концентраторных теплофотоэлектрических модулей с параболоидным и складным параболоцилиндрическим концентратором. В качестве термодинамического преобразователя солнечной энергии предложен двигатель Стирлинга в составе теплофотоэлектрической концентраторной установки, результаты испытаний которой также представлены в статье. Разработанные теплофотоэлектрические модули планарной и концентраторной конструкции позволяют производить автономное или параллельное с существующей энергосетью энергоснабжение потребителей. Использование в конструкциях теплофотоэлектрических модулей параболических концентраторов, высоковольтных матричных фотоэлектрических преобразователей, а также двухкомпонентного полисилоксанового компаунда увеличивает общую эффективность солнечных модулей и срок их службы. Наряду с выработкой электрической и тепловой энергии кровельные панели также обеспечивают строительную и защитную функцию зданий, а использование в их основе вторичного пластика позволяет решить проблемы с его вторичным использованием и удешевляет производство. Значительный потенциал имеют теплофотоэлектрические концентраторные солнечные модули с двигателями Стирлинга, электрическая эффективность которых может быть больше электрической эффективности фотоэлектрических преобразователей, а срок службы не менее срока службы фотоэлектрических преобразователей.

В данной работе описан теплогидравлический анализ плоского солнечного коллектора при помощи CFD-моделирования с целью изучения влияния погодных условий (скорость ветра) на эффективность работы коллектора. Моделирование проводится в CFD Solidworks Flow Simulation с использованием штатных средств моделирования солнечного излучения и с учетом влияния ветра. Итогом работы являются зависимости перепада температур теплоносителя на входе и выходе из коллектора от времени работы при разных значениях скорости ветра.

Моделирование работы плоского солнечного коллектора проводилось под воздействием солнечного облучения в диапазоне от 149Вт/м²до 1019 Вт/м², что соответствует минимальному и максимальному солнечному лучевому тепловому потоку в городе Москва. Рассматривалось воздействие ветра в диапазоне скоростей от 0 до 4 м/с, также наиболее характерных для Москвы. При увеличении скорости ветра до 4 метров в секунду зафиксировано падение перепада температуры на 26,46% относительно безветренной погоды. Под воздействием ветра средний по внешней поверхности солнечного коллектора коэффициент теплоотдачи менялся в диапазоне от 5,172 Вт/м²К до 11,571 Вт/м²К.

Полученные результаты показывают, что наличие ветра существенно влияет на эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую, поэтому при выборе места установки солнечного коллектора нужно учитывать не только угол падения солнечного излучения, но и розу ветров.

Стохастичность ветрового потенциала и солнечной инсоляции могут быть учтены при проектировании конструкции и монтаже СК на конкретном объекте. Приведенные результаты исследований позволяют утверждать о повышении КПД на 8-12% при выполнении дополнительных мероприятий по ветровой защите плоских коллекторов.

Поскольку производительность солнечных энергетических установок носит довольно изменчивый характер, зависимость выработки от погодных условий существенно повышает необходимость точного прогнозирования. В настоящее время особую актуальность приобретает формирование нового подхода к разработке моделей производительности солнечных энергетических установок на основе алгоритмов искусственных нейронных сетей. Достоинства искусственных нейронных сетей при прогнозировании, такие как возможность обучения и учета множества параметров, не состоящих в функциональной связи, позволяют успешно использовать их при разработке моделей производительности солнечных энергетических установок. Проведен анализ существующих разработок и определены перспективные направления применения алгоритмов искусственного интеллекта в солнечной энергетике. Для моделирования производительности солнечного концентраторного модуля разработана двухслойная искусственная нейронная сеть с сигмоидными скрытыми нейронами и линейными выходными нейронами. Разработанная модель производительности солнечного концентраторного модуля на основе искусственной нейронной сети позволяет со значительным приближением определить тепловую эффективность солнечного модуля в зависимости от различных внешних условий и рабочих параметров.

Биомасса микроводорослей представляет собой один из перспективных источников возобновляемого биотоплива. Топливо, получаемое из микроводорослей, называется "биотопливом третьего поколения". Этот вид биомассы не является основным сырьем для питания и выращивается обычно на непригодных для растениеводства участках. Продуктивность микроводорослей (на единицу площади, используемой для выращивания) биомассой и жирами (липидами) в десятки раз превышает соответствующий выход наземной биомассы. В последние годы все большее внимание привлекают гидротермальные технологии как перспективные способы переработки биомассы микроводорослей в биотопливо. Однако наиболее привлекательной технологией является гидротермальное сжижение (ГТС) микроводорослей с получением жидкого биотоплива (бионефти) в качестве целевого продукта. Одним из основных преимуществ технологии ГТС является то, что в выход бионефти вносят вклад не только липиды, но и углеводы и белки, что увеличивает общий выход продукта. В представленной работе проведено экспериментальное исследование процесса гидротермального сжижения (ГТС) биомассы микроводорослей Arthrospira platensis с получением массовых данных выхода продуктов и дальнейшее исследование продуктов данного процесса методами термогравиметрического анализа и калориметрии, с определением влияния параметров процесса на выход и качество продуктов.

В статье рассмотрены конструктивные особенности и режимы работы водогрейных котлов КВм-4,0Д, проведен анализ их технико-экономических и экологических показателей при изменении теплопроизводительности в диапазоне от 0,32 до 1,15 от номинальной. Исследован фракционный состав топлив, золы и шлака. Проверена механическая прочность и истираемость гранулированного топлива, а также их изменение при прохождении гранул по элементам топливоподачи. Определено содержание горючих веществ в золе и шлаке, и влияние недожога горючих веществ в различных фракциях очаговых остатков на величину потерь тепла с механическим недожогом топлива. Проведен теплотехнический анализ древесных гранул. Определены составляющие теплового баланса. Предложены рекомендации по дальнейшему повышению энергоэкологических показателей водогрейных котлов, которые создают основу для совершенствования конструкций теплогенерирующих установок, работающих на древесных гранулах. После конструктивной доработки, связанной с монтажом дополнительной линии рециркуляции отработанных дымовых газов под колосниковую решетку, котлоагрегатыКВм-4,0Д обеспечили эффективное сжигание древесных гранул с технико-экономическими и экологическими показателями, превышающими показатели австрийских водогрейных котлов той же мощности. Учитывая, что в очаговых остатках данных котлов содержится значительное количество СаО и большое количество мелкодисперсных частиц, размером менее 45 мкм, данные пылевые частицы имеют повышенную опасность для здоровья обслуживающего персонала котельной. Для поддержания высоких техникоэкономических и экологических показателей работы котлов необходимо обеспечить периодический контроль плотности всех элементов газового тракта и системы золошлакоудаления, а также регулярную уборку производственных помещений. Выполненные исследования показали, что данные котлы не рекомендуется длительно использовать в режимах работы с низкой нагрузкой, так как такие режимы сопровождаются повышенными значениями эмиссии монооксида углерода, а, следовательно, и потерь тепла с химической неполнотой сгорания в связи с большими коэффициентами избытков воздуха.

Предложено использовать на основе опыта развитых европейских стран и США технологию совместного сжигания в котлах малой и средней мощности. Рассмотрено сравнение перспектив использования традиционного каменного угля с твердотопливными композициями из местных видов топлива и отходами производства органической природы (биомассы). Показаны результаты экспериментальных исследований по изменению зольности, выхода летучих в зависимости от количества биомассы в общем балансе твердого топлива при их совместном сжигании. Проведены расчеты необходимого количества топлива для сжигания в котельной производительностью 400 000 Гкал/год. Большой выход летучих и относительно малая зольность, а также доступность по сравнению с углем в плане поставок от места добычи до потребителя делают торф и древесные опилки перспективным топливом для котельных малой и средней мощности в районах с низкой газификацией. При этом, торф и древесные опилки могут использоваться в качестве дополнительного топлива к основному, так и основным при моносжигании. Кроме того, перевод котельных с угля на торф или древесные опилки не всегда требуют реконструкции и существенных инвестиций, размеры которых могут быть оценены для каждой конкретной котельной, а в некоторых случаях такой перевод может быть вообще безинвестиционным. Торф и древесные опилки можно рассматривать как дополнительный ресурс при решении проблемы поиска доступного энергетического сырья.

Мировая тенденция декарбонизации экономики может оказать значительное влияние на крупных экспортеров Республики, так как использование угольной генерации значительно увеличивает углеродоемкость производимой продукции, а широко обсуждаемое введение трансграничного углеродного регулирования странами ЕС потенциально снизит конкурентоспособность энергоемких товаров казахстанских производителей на европейском рынке. Более 80% электроэнергии в стране вырабатывается угольными тепловыми электростанциями. Развитие возобновляемой энергетики может послужить одним из направлений достижения целей по снижению выбросов парниковых газов как на страновом уровне, так и для крупных промышленных производителей. Установки на возобновляемых источниках энергии характеризуются не только более низкой нагрузкой на окружающую среду, но и гибкостью проектирования. В настоящее время особо актуальны исследования, посвященные региональному анализу территории с точки зрения применимости возобновляемой энергетики. В текущем исследовании будет представлена попытка анализа потенциала энергообеспечения областей Казахстана на основе станций на ископаемом топливе и возобновляемых источниках энергии (солнечные и ветровые станции). Использование инструментов пространственного анализа позволило учесть факторы, способствующие и ограничивающие строительство ветровых и солнечных станций, а также вычислить доступные для проектирования территории в областях Казахстана. Проведенные оценки потенциальной средней годовой удельной производительности типовых солнечных и ветровых станций позволили сделать вывод о большей конкурентоспособности ветровой энергетики, по сравнению с солнечной (ВЭС - от 63 до 342 МВт/ч/год/км², СЭС - от 41 до 68 МВт/ч/год/км²). В результате исследования были выявлены энергодефицитные области: Акмолинская, Туркестанская и Костанайская, где развитие ВИЭ наиболее перспективно. В исследовании проведен сравнительный анализ приведенной стоимости вырабатываемой энергии на станциях возобновляемой энергетики с величиной тарифов энергоснабжающих организаций в областях Казахстана. По результатам расчетов приведенная стоимость варьируется от 5,7 до 7,9 руб./кВт/ч для СЭС и 0,8- 2,6 руб./кВт/ч для ВЭС.

На угольных тепловых электростанциях (ТЭС) России в подавляющем большинстве случаев для транспортирования золы и шлака применяются системы гидравлического золошлакоудаления. Такие технические решения, связанные с эвакуацией шлака из-под котлов и транспортированием летучей золы после электрофильтров, тиражировались еще с советских времен. Системы гидрозолоудаления (ГЗУ) наносили и продолжают наносить значительный ущерб окружающей природной среде в зоне расположения угольных ТЭС, средний возраст которых на сегодняшний день составляет примерно 45-50 лет. Межремонтный срок и надежность эксплуатации трубопроводов систем золошлакоудаления ТЭС существенно зависит от абразивного износа, являющегося одной из главных проблем при транспортировании мелкодисперсных сыпучих материалов, которыми являются зола и шлак. Износ трубопроводов приводит к снижению надежности работы всей системы ГЗУ; возникает необходимость вынужденных простоев, вызванных свищами в трубопроводах, в результате чего происходит выпуск золошлаковой пульпы в окружающую среду. Кроме того, утонение толщины стенок пульпопроводов приводит к необходимости увеличения диаметра труб, что, в свою очередь, приводит к ухудшению экономической эффективности транспортирования золошлаковой пульпы.

В статье рассматривается проблема абразивного износа гидротранспортных трубопроводов систем золошлакоудаления ТЭС. На основании результатов исследований описаны основные мероприятия для продления срока эксплуатации прямолинейных и фасонных участков пульпопроводов систем ГЗУ ТЭС. С целью снижения интенсивности абразивного износа возможно применение режимных мероприятий, не требующих инвестиций в реконструкцию действующих гидротранспортных установок. К таким мероприятиям относятся: проворот прямолинейных горизонтальных и наклонных участков пульпопроводов вокруг своей оси; транспортирование пульпы с оптимальными параметрами. Кроме упомянутых рассмотрены конструктивные мероприятия, в разной мере требующие инвестиции в реконструкцию гидротранспортных установок, как, например: оптимизация формы фасонных участков пульпопроводов; выполнение участков гидродинамической стабилизации потоков на входе и выходе из фасонных участков пульпопроводов с учетом зоны максимального износа; применение антиабразивных вставок в колена поворотов пульпопроводов; применение камнелитых изделий; использование труб с алюмотермическим покрытием. Максимальная эффективность внедрения противоабразивных рекомендаций достигается при сочетании режимных и конструктивных мероприятий.

В статье рассматриваются вопросы влияния развития возобновляемых источников энергии на повышение уровня энергетической безопасности страны, риски и угрозы энергетической безопасности. Основной гипотезой исследования является наличие влияния возобновляемой энергетики на уровень энергетической безопасности Республики Беларусь. В ходе исследования были рассмотрены существующие индикаторы энергетической безопасности, сформированные в Концепции энергетической безопасности Республики Беларусь, и существующая методика оценки уровня энергетической безопасности в стране. Собрана информация по установленной мощности энергоустановок на возобновляемых источниках энергии в стране и вырабатываемой ими энергии; определены факторы, ускорившие развитие наиболее популярных в стране направлений возобновляемой энергетики. На базе существующих индикаторов энергобезопасности был разработан и рассчитан интегральный показатель. Результаты расчета свидетельствуют о постепенном росте уровня энергетической безопасности Республики Беларусь в период с 2010 по 2018 гг. Проверка основной гипотезы осуществлялась с помощью корреляционного анализа. На основе рассчитанных ранее значений была построена корреляционная матрица и определены значения коэффициентов корреляции. Корреляционный анализ показал наличие сильной положительной связи между установленной мощностью и выработкой энергии на возобновляемых источниках с одной стороны и интегральным показателем энергетической безопасности и отдельными его блоками с другой стороны. Наибольшее влияние возобновляемые источники энергии оказывают на такие блоки энергетической безопасности, как энергетическая самостоятельность, энергетическая эффективность конечного потребления топливноэнергетических ресурсов и экономическая устойчивость топливно-энергетического комплекса. Проверка статистической значимости коэффициентов корреляции проводилась с использованием t-критерия Стьюдента и показала высокую значимость полученных результатов. По результатам проведенного исследования можно сделать вывод о значительном положительном влиянии развития возобновляемых источников энергии на уровень энергетической безопасности страны и, соответственно, о возможности снижения рисков и угроз, которым подвержена энергетическая отрасль, за счет развития возобновляемой энергетики. Работа может быть интересна научным и педагогическим работникам, специалистам, аспирантам и студентам в области энергетики.

За последние полвека наблюдается неуклонный рост доли электроэнергии, вырабатываемой с помощью ВИЭ. Для регионов Российской Федерации, в экономике которых значительную роль играет сельское хозяйство, актуально использование отходов растениеводства с целью их дальнейшей переработки и использования в качестве источника для производства электроэнергии. В ряде статей анализ ресурсов на региональном уровне осуществляется лишь на основе статистических данных, обобщенных по единицам административного деления. В данной работе рассматривается методика, основанная на использовании данных дистанционного зондирования земли, которая позволяет локализовать источник энергоресурсов (поля зерновых культур). Методика реализована для Рязанской области. Выделение контуров сельскохозяйственных полей происходит на основе разновременных космических снимков Landsat-8 и Sentinel-2, на которых запечатлены сельскохозяйственные поля на различных стадиях вегетации. Так как для большинства видов зерновых культур характерен свойственный лишь им ход вегетационного развития, который сопровождается изменением спектральных характеристик, то можно отделить зерновые от прочих видов сельскохозяйственных культур. На основе известных формул был произведен расчет энергетического потенциала отдельных полей. В качестве мест, где возможна концентрация и переработка отходов зерновых культур были выбраны имеющиеся в регионе сельскохозяйственные предприятия животноводческой направленности. На основе дорожного графа Рязанской области была решена задача «размещение - распределение» (Location-Allocation). В результате чего на основе кратчайшего расстояния по дорожной сети была определена принадлежность каждого поля к определенному пункту переработки. Данная задача была решена для 3 случаев: 100, 50 и 10 обрабатывающих предприятий. Полученные результаты показали, насколько сильно отличается энергетический потенциал, рассчитанный на основе административной статистики, и энергопотенциал, вычисленный на основе использования данных дистанционного зондирования и сетевого анализа.

Наблюдаемая в настоящее время тенденция по увеличению спроса на электроэнергию определяет необходимость изучения и применения альтернативных методов выработки электроэнергии. При этом с увеличением единичной мощности и доли возобновляемой генерации в суммарной установленной мощности актуальность приобретают исследования, направленные на системное изучение влияния внедренного объекта на параметры режима работы электроэнергетической системы. Здесь можно отметить ряд оптимизационных задач, направленных на определение оптимального места установки и мощности внедряемого объекта генерации с точки зрения уменьшения потерь мощности и поддержания соответствующего уровня напряжения в узлах энергосистемы. В рамках данной статьи представлен вариант решения обозначенной оптимизационной задачи для типовой 15-узловой IEEE схемы посредством программного расчета с применением метода пузырьковой сортировки. На пути достижения поставленной цели были решены следующие задачи: сформирована целевая функция, выступающая индикатором оптимальности места установки и мощности объекта генерации; ограничительные критерии, например, допустимость отклонения напряжения; осуществлена программная реализация алгоритма вычисления перетоков и потерь мощности с применением метода пузырьковой сортировки. Представлены результаты работы программного кода для двух сценариев: установки одного объекта возобновляемой генерации с различным диапазоном возможных мощностей, которые, в свою очередь, сопоставлены с данными, полученными в программном комплексе MATLAB/Simulink.